copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО …в регуляции дыхания...

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

УДК 577.1ББК 28.072

Б82

Бреслав И. С.Дыхание и мышечная активность человека в спорте: Ру-

ководство для изучающих физиологию человека [Текст] / И. С. Бреслав, Н. И. Волков, Р. В. Тамбовцева. – М. : Совет-ский спорт, 2013. – 336 с. : ил.

ISBN 978-5-9718-0583-0

Предлагаемое вниманию читателей руководство по физиологии дыхания представляет синтез современных представлений о физио-логических и биохимических процессах, обусловливающих газо-обмен в тканях и эффективную регуляцию организменных функ-ций, направленных на поддержание газового гомеостаза при мышеч-ной активности. Авторы руководства – проф. И.С. Бреслав (Цефат, Израиль), проф. Н.И. Волков и проф. Р.В. Тамбовцева (Москва, Рос-сия) – известные специалисты в области физиологии дыхания и био-химии мышечной деятельности. В книге наряду с изложением основ физиологии дыхания человека подробно освещаются вопросы сопря-женности функций тканевого дыхания, транспорта газов с кровью и легочной респирации при мышечной работе. Приводятся результа-ты экспериментального изучения динамики респираторных функций в различных условиях мышечной деятельности и установления взаи-мосвязи параметров легочной вентиляции с показателями энергети-ческой стоимости упражнения и состоянием физической работоспо-собности человека.

Книга рассчитана на широкий круг специалистов в области спор-та и физической культуры – тренеров и преподавателей физического воспитания, спортивных врачей, студентов и аспирантов физкультур-ных учебных заведений – и всех тех, кто интересуется медицинскими проблемами трудовой и спортивной деятельности человека.

УДК 577.1ББК 28.072

Б82

ISBN 978-5-9718-0583-0

© Бреслав И. С., Волков Н. И., Тамбовцева Р. В., 2013© Оформление. ОАО «Издательство “Советский спорт”», 2013


IЧАСТЬ

ОСНОВЫ ФИЗИОЛОГИИ ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА


Универсальным источником энергии для животных и чело-века в конечном счете являются процессы окисления пищевых веществ с поглощением атмосферного кислорода. В то же время организм практически не располагает сколько-нибудь значимым собственным запасом этого газа. Достаточно сказать, что в теле человека обычно содержится не более полутора литров О2, при-чем лишь относительно небольшая часть данного количества мо-жет быть немедленно утилизирована. Учитывая, что человек в по-кое потребляет примерно четверть литра О2 в минуту, рассчитано, что для поддержания нормальной функции мозга – органа, наи-более чувствительного к недостатку кислорода (гипоксии), – это-го «кислородного резерва» должно хватать всего на около 4 мин, а для интенсивной мышечной деятельности, когда потребление О2 может достигать 5–6 л/мин и более, – только на считанные секун-ды. Отсюда ясно, сколь важна функция дыхания по обеспечению бесперебойного обмена газов в организме и сколь необходима эта функция для поддержания его физической работоспособности.

Назначение этой части монографии – напомнить читате-лю важнейшие положения физиологии дыхания, обратив осо-бое внимание на регуляцию этой функции и ее специфический для человека – сенсорный аспект. Такие сведения понадобятся в дальнейшем для всестороннего рассмотрения той роли, какую играет дыхательная система при мышечной активности человека в спорте.


5

ГЛАВА 1

Вступительные сведения о легочном дыхании и транспорте газов

В данной главе приведены важнейшие данные, относящиеся к так называемому внешнему дыханию – легочной вентиляции, функции дыхательных мышц и т.д., включая обмен и транспорт дыхательных газов в организме. Более детальную информацию по этим разделам читатель найдет в специальных изданиях [52, 96, 247, 412, 441].

* * *Как известно, функция дыхания состоит в обмене газов между

организмом и атмосферой. Данный процесс не только обеспечи-вает организм кислородом, необходимым для выработки энергии путем биологического окисления, но и удаляет один из конечных продуктов окисления – двуокись углерода. Обмен этих дыхатель-ных газов способствует также поддержанию кислотно-основного баланса во внутренней среде.

Глобальный кругооборот кислорода в живой природе откры-вается его освобождением в атмосферу в ходе фотосинтеза за счет поглощения энергии солнечных лучей и заканчивается включе-нием в процессы окисления органического субстрата (главным образом углевода) уже с выделением энергии, используемой для жизнедеятельности организма:

Энергия + 6Н2О + 6СО2 → С6Н12О6 + 6О2 →→ 6О2 + С6Н12О6 → 6СО2 + 6Н2О + энергия.

Путь кислорода в организме из атмосферы до митохондрий, где происходит его утилизация, включает: легкие, аэрогемати-ческий барьер, кровь, гистогематический барьер, тканевую жид-кость, клеточную мембрану и цитоплазму, мембрану митохондрии.


6

Транспорт кислорода по этому пути обеспечивается двумя про-цессами: конвекцией, т.е. переносом молекул О2 с потоком газа или жидкости, и диффузией – их переходом в соответствии с градиен-тами парциального давления, или напряжения (рО2

). В конечном счете движущей силой кислородного транспорта служит разность рО2 между вдыхаемым (атмосферным) воздухом и внутренней мембраной митохондрии, где оно вследствие непрерывного по-требления кислорода стремится к нулю. На каждом очередном этапе этого пути рО2 последовательно падает, образуя так назы-ваемый кислородный каскад (рис. 1.1). Разные звенья кисло-родтранспортной цепи обладают неодинаковой проводимостью, измеряемой массой О2, проходящей данное звено в минуту при градиенте рО2

в 1 мм рт. ст. Величина эта меняется в зависимости от ряда условий и будет специально рассмотрена в гл. 4. Здесь же подчеркнем, что функционирование кислородного каскада долж-но соответствовать потреблению кислорода организмом. Так, рО2 на наружной клеточной мембране должно составлять в среднем не менее 15–20 мм рт. ст., чтобы обеспечивать поддержание кри-тического напряжения О2 в митохондриях, необходимого для нормальной активности дыхательных ферментов.

Рис. 1.1. Кислородный каскад организма:Ат – атмосфера; Ал – легочные альвеолы; ЛК – легочные капилляры;

ТК – тканевые капилляры; Т – ткани; М – митохондрии; Э – генератор энергии в митохондриях; G1, G2, G3 ... – проводимость путей между ступенями каскада:

К – с преобладанием процесса конвекции, Д – с преобладанием диффузии. По оси ординат – рО2

, мм рт. ст. По A. Otis, 1986, с изм.

Первым звеном газотранспортной системы служат легкие. И здесь прежде всего необходимо рассмотреть, как осуществляет-ся легочная вентиляция – главный фактор, способствующий об-мену кислорода и двуокиси углерода в легких.


7

Легочная вентиляция

Рассмотрение легочной вентиляции – возвратно-поступа-тельного движения воздуха в дыхательных путях – начнем с ее механического аспекта.

Механика дыхательного акта

Вентиляция легких осуществляется ритмическими сокраще-ниями дыхательных (респираторных) мышц – инспираторных, при сокращении которых увеличивается объем грудной полости и происходит вдох, и экспираторных, действующих в обратном направлении.

Главным инспиратором служит диафрагма, обеспечивающая при спокойном дыхании практически весь объем легочной вен-тиляции. Сокращение диафрагмальной мышцы сопровождается уплощением ее куполов. Оттесняя книзу брюшные внутренно-сти, диафрагма увеличивает продольный размер грудной полости. Диафрагме помогают наружные межреберные мышцы, сокраще-ния которых главным образом стабилизируют положение груд-ной стенки, препятствуя ее спадению на вдохе. В этом плане диа-фрагма представляет собой систему из двух мышц, соединенных с сухожильным центром: первая связана с межреберными мышца-ми параллельно, вторая – последовательно (рис. 1.2, а).

Рис. 1.2. Схема действия мышц-инспираторов:а – диафрагма (I) и ее модель (II): 1 – ножка диафрагмы, 2 – ее реберная часть,

3 – межреберные и вспомогательные мышцы, 4 – грудная клетка, 5 –легкое, 6 –живот;

б – движения ребер, позволяющие наружным межреберным мышцам увеличивать переднезадний (верхние ребра) и поперечный (нижние ребра)

диаметр грудной клетки: I – первое ребро, II – четвертое ребро; штриховыми линиями показаны оси шеек ребер, стрелками – перемещения ребер при вдохе

a б


8

Сокращения наружных межреберных мышц и межхрящевых внутренних межреберных мышц (краниальных межреберий) мо-гут выполнять и самостоятельную функцию. Они способствуют поднятию ребер, увеличивая диаметр грудной клетки (рис. 1.2, б). Напротив, сокращения задних (межкостных) участков внутрен-них межреберных мышц опускают ребра и участвуют в выдохе.

Выдоху могут способствовать и мышцы брюшной стенки (брюшной пресс): сокращаясь, они повышают внутрибрюшное давление, оттесняя диафрагму в грудную полость, и тем самым уменьшают объем последней.

Механизм вдоха (рис. 1.3) запускается координированным сокращением мышц-инспираторов, ведущим, как сказано, к уве-личению объема грудной полости. Это вызывает увеличение отри-цательного давления в плевральной щели (а оно здесь существует почти всегда, уравновешивая эластическую тягу легких, которые и в покое находятся в более или менее растянутом состоянии). В результате падения внутригрудного давления и благодаря ад-гезивным силам, действующим между париетальным и висце-ральным листками плевры, легкие растягиваются, давление в них падает примерно на 2–3 мм рт. ст., и туда через воздухоносные пути поступает атмосферный воздух.

Рис. 1.3. Механика вдоха (а) и выдоха (б):рВ – окружающее (атмосферное) давление; рА – внутриальвеолярное давление;

рpl – внутриплевральное (внутригрудное) давление. Газовые потоки в воздухоносных путях определяются разностью рВ – рА

Выдох при спокойном дыхании происходит пассивно, за счет того, что после расслабления мышц-инспираторов высвобождает-ся потенциальная энергия растянутых легких. Диафрагма и груд-ная стенка возвращаются в исходное положение. Объем грудной

a б


9

полости таким образом уменьшается, снижается отрицательное внутриплевральное давление, поэтому легкие спадаются, а внут-рилегочное давление становится выше атмосферного, и часть заполняющего их воздуха выходит наружу.

Однако при форсированном дыхании выдох становится актив-ным. В него вовлекаются мышцы-экспираторы, сокращение кото-рых способствует дополнительному уменьшению объема грудной полости. При этом давление в плевральной щели может стать даже положительным, что ведет к значительному спадению легких. В особо интенсивных дыхательных усилиях могут участвовать так называемые вспомогательные дыхательные мышцы. Это – ряд мышц шеи, груди и спины. Их сокращения вызывают переме-щения ребер, помогающие либо вдоху, либо выдоху.

Максимальное инспираторное усилие может создавать в лег-ких отрицательное давление до 80–100 мм рт. ст., максимальное же экспираторное усилие – положительное давление до 150 мм рт. ст. и более.

В ходе своего функционирования респираторные мышцы вы-полняют определенную работу, которую принято называть рабо-той дыхания. Величина работы дыхания зависит, с одной сторо-ны, от объема вентилируемого воздуха, а с другой – от величины сопротивления дыханию, преодолеваемого сокращениями этих мышц.

Примерно две трети работы дыхания расходуется на преодо-ление эластического сопротивления грудной стенки и легочной ткани. Большая часть эластического сопротивления легких соз-дается поверхностно-активными веществами – сурфактантами. (Сурфактанты, в основном состоящие из липопротеинов, тонким слоем выстилают изнутри стенки альвеол и стабилизируют их сферическую форму, препятствуя спадению альвеол.)

Остальная часть усилий, развиваемых респираторными мыш-цами, затрачивается в основном на преодоление неэластического (резистивного, или аэродинамического) сопротивления потоку газа в воздухоносных путях. Это сопротивление меняется в зави-симости от тонуса мускулатуры, регулирующей просвет бронхов, а также голосовой щели.

Коэффициент полезного действия дыхательных мышц, изме-ряемый энерготратами (или расходом кислорода) на вентиляцию 1 л воздуха, довольно низок (5–10%), в покое работа дыхания невелика, она составляет в среднем всего 2–3% общего расхода


10

энергии организмом, примерно 0,03–0,06 Вт. Но при увеличении легочной вентиляции эта величина может возрасти в десятки раз – прежде всего за счет усиленного растяжения легких и грудной стенки на вдохе.

Точную величину работы, выполняемой респираторными мышцами в рамках одного дыхательного цикла, можно вычис-лить по площади так называемой дыхательной петли, получаемой в ходе одновременной записи динамики внутригрудного давле-ния и объемов вдоха и выдоха. На рис. 1.4 площадь треугольника АВС соответствует работе дыхания по преодолению эластическо-го сопротивления, а площадь той части петли, которая оказывает-ся справа от линии АВ, – работе по преодолению неэластического сопротивления вдоху. Поскольку при спокойном выдохе движу-щей силой служит эластическая тяга растянутых легких, допол-нительная работа на выдохе не производится, и экспираторная часть петли оказывается внутри треугольника АВС. Только при форсированном дыхании, наряду с резким увеличением площади петли, часть ее (на рисунке заштрихована) выходит за пределы петли, демонстрируя активный характер выдоха.

Рис. 1.4. «Дыхательная петля» при спокойном дыхании (1) и при максимальной вентиляции легких (2):

По оси абсцисс – объем, по оси ординат – транспульмональное давление. Пояснения в тексте

Легочные объемы

Легочные объемы и емкости представлены на рис. 1.5. Количе-ство воздуха, поступающего в легкие при вдохе и покидающего их при выдохе, – дыхательный объем, или глубина дыхания (ДО, VT), –может варьировать в широком диапазоне. При спокойном дыха-нии дыхательный объем составляет от 0,4 до 1 л. Но сверх обыч-ного вдоха человек может вдохнуть еще 1–2 л – резервный объем


11

вдоха (РОВд, IRV), а вслед за спокойным выдохом – выдохнуть еще 1,5–2,5 л воздуха – резервный объем выдоха (РОВыд, ERV), после чего в легких остается лишь воздух, заполняющий их оста-точный объем (ОО, RV), равный 0,8–1,7 л. Суммарный объем воздуха, который с помощью форсированного усилия можно вы-дохнуть после максимального вдоха (или вдохнуть после макси-мального выдоха), составляет в среднем от 3 до 6 л. Эта величина соответствует жизненной емкости легких (ЖЕЛ, VC) и показыва-ет, каковы резервы увеличения глубины дыхания у данного чело-века.

Рис. 1.5. Легочные объемы и емкости:I – общая емкость легких, II – жизненная емкость, III – резервный объем вдоха, IV – дыхательный объем, V – резервный объем выдоха, VI – остаточный объем,

VII – емкость вдоха, VIII – функциональная остаточная емкость; 1 – максимальный выдох, 2 – максимальный вдох,

3 – уровень спокойного дыхания

Здесь следует обратить внимание на так называемую функцио-нальную остаточную емкость легких (ФОЕ, FRC). ФОЕ соот-ветствует конечно-экспираторному объему воздуха, остающемуся в легких после обычного выдоха, т.е. сумме резервного объема вы-доха и остаточного объема, обозначаемой как уровень спокойного дыхания. В этом состоянии эластическая тяга легких уравновеши-вается эластической тягой грудной стенки, и дыхательные мыш-цы полностью расслаблены.

Чем больше растягиваются легкие при вдохе или, напротив, спадается грудная стенка при форсированном выдохе по сравне-нию с ФОЕ, тем большее требуется для этого усилие, развиваемое респираторными мышцами. При небольших дыхательных объ-емах такая зависимость носит линейный характер, при больших же она становится нелинейной, более крутой. В силу этого эла-стический компонент работы дыхания нарастает с его глубиной преимущественно при форсированном дыхании.


12

Неэластическое же сопротивление дыханию растет с увеличе-нием скорости газового потока в воздухоносных путях, причем всегда нелинейно: с ускорением потока уменьшается его ламинар-ный компонент и увеличивается турбулентный (т.е. завихрения), прежде всего в местах ветвления бронхов и в голосовой щели, что сопровождается резким повышением аэродинамического со-противления, поэтому чем быстрее происходит вдох и выдох, тем больше неэластическое сопротивление дыханию.

Одним из критериев «пропускной способности» дыхатель-ного аппарата человека служит так называемая форсирован-ная жизненная емкость легких (ФЖЕЛ, FVC) – объем возду-ха, который испытуемый способен выдохнуть из положения максимального вдоха при максимальном экспираторном уси-лии за 1 с. Обычно этот объем составляет от 2 до 5 л, или около 80% ЖЕЛ.

Паттерн дыхания. Альвеолярная вентиляция и ее эффективность

Перейдем к рассмотрению легочной вентиляции в плане ее ди-намических параметров – объемных и временных – образующих так называемый паттерн дыхания.

Составляющие паттерна дыхания, помимо упомянутого ды-хательного объема (ДО, VT), – частота дыхательных циклов (ЧД, f), как и длительность фаз отдельного цикла – инспира-торной (ТI) и экспираторной (ТЕ) – подвержены значительным межиндивидуальным вариациям. Частота дыхания в покое ко-леблется между 6 и 20 цикл/мин. Продолжительность вдоха со-ставляет в среднем 1,5–2,5 с. Выдох длится дольше, 2,0–3,5 с, что связано с его пассивным характером и увеличением сопро-тивления воздухоносных путей из-за сужения бронхов и голо-совой щели при экспирации. (Описываемые в некоторых по-пулярных изданиях «паузы», экспираторная и инспираторная, в нормальных условиях у человека обычно не наблюдаются: вы-дохи и вдохи сменяют друг друга без сколько-нибудь заметных интервалов.) Скорость инспираторного потока в воздухоносных путях и, соответственно, аэродинамическое сопротивление до-стигают пика примерно на середине вдоха, тогда как эластиче-ское сопротивление доходит до максимума к концу вдоха, ког-да легкие и грудная стенка растянуты в наибольшей степени (рис. 1.6).


13

Рис. 1.6. Объемы, потоки и давления в динамике вдоха и выдоха. Спирограмма (а), пневмотахограмма (б) и динамика внутригрудного

(внутрипищеводного) давления (в) в ходе дыхательного цикла:VT – дыхательный объем, л; V

·I, V

·E – скорости инспираторного и экспираторного

потоков, л/с (стрелки показывают их пиковые величины); рoes – внутрипище-водное давление, см вод. ст.; рel, рnel – усилия, затраченные на преодоление соответственно эластического и неэластического сопротивления дыханию;

TI, TЕ – длительность вдоха и выдоха

Легочную вентиляцию принято измерять минутным объемом дыхания (МОД, V·

E), т.е. объемом воздуха, проходящим через лег-кие за 1 мин:

V·E = VT . f,

где V·E – МОД, VT – дыхательный объем, f – частота дыхания

в минуту.

Между тем, непосредственно в обмене газов, происходящем в респираторной зоне легких, участвует только часть вдохнутого воздуха, остальная же его часть не доходит до этой зоны и вен-тилирует лишь так называемое мертвое пространство; послед-

a


14

нее составляет обычно 150–200 мл. Чтобы узнать объем воздуха, вентилирующий альвеолы, – альвеолярную вентиляцию (V·

А), из дыхательного объема в приведенной формуле надо вычесть объем мертвого пространства (VD):

V·A = (VT – VD) . f.

Если средний МОД человека в покое колеблется между 5 и 13 л/мин, то доля в нем «полезной», альвеолярной вентиляции, как показывает расчет, составит от 4 до 10 л/мин.

Важное значение для эффективности легочного газообмена имеет вентиляторно-перфузионный коэффициент – определен-ное соотношение между альвеолярной вентиляцией и перфузией, т.е. минутным объемом крови, протекающей через легочные ка-пилляры (Q·). В обычных условиях коэффициент V·

A/Q· равен 0,8–0,9. Например, при альвеолярной вентиляции 6 л/мин минутный объем крови должен составлять около 7 л/мин.

Не менее важно соотношение между уровнем альвеолярной вентиляции и потребностями тканей тела в доставке кислоро-да и выведении двуокиси углерода, т.е. насколько альвеолярная вентиляция адекватна энергозатратам организма. Простейшим показателем экономичности легочной вентиляции является вен-тиляторный эквивалент для кислорода – отношение МОД (V·

E) к минутному потреблению О2 (V·

О2). В покое коэффициент

V·E /V·

О2 составляет 0,23–0,28 мл на 1 мл О2. Практически же кри-терием адекватности альвеолярной вентиляции служит нормаль-ное напряжение СО2 (рСО2

) альвеолярного воздуха и артериаль-ной крови, которое поддерживается регуляторными механизмами (см. гл. 2).

Артериальное рСО2 (рaСО2) зависит от соотношения между про-

дукцией двуокиси углерода в организме (V·СО2

) и альвеолярной вентиляцией (V·

A):

рaСО2 = k(V·СО2 /V·

A),

где k – коэффициент пропорциональности.Если вентиляция недостаточна для обеспечения газообме-

на, вследствие чего альвеолярное и артериальное рСО2 растет (т.е. имеет место гиперкапния), говорят о гиповентиляции. На-против, избыточный уровень альвеолярной вентиляции, сопро-вождаемый снижением этих показателей (гипокапнией), принято называть гипервентиляцией. Гипервентиляцию не следует путать


15

с гиперпноэ – увеличением легочной вентиляции, которое адек-ватно возросшему газообмену и потому не сопровождается суще-ственными сдвигами газового состава крови.

Нетрудно понять, что одну и ту же величину альвеолярной вентиляции можно получить при разных паттернах дыхания, т.е. при разных соотношениях между его частотой и глубиной (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Варианты паттерна дыхания, дающие равную величину альвеолярной вентиляции (при объеме мертвого пространства 0,2 л)

VT, л f, цикл/мин V·E, л/мин V

·A, л/мин

0,4 30 12 6

0,6 15 9 6

0,8 10 8 6

Отсюда следует, что углубление дыхания позволяет поддер-живать требуемую альвеолярную вентиляцию за счет уменьше-ния доли мертвого пространства в дыхательном объеме. Вместе с тем напомним: глубокие вдохи сопряжены с увеличением эла-стического сопротивления. С другой стороны, при частом поверх-ностном дыхании, помимо ухудшения условий газообмена из-за большой доли мертвого пространства в дыхательном объеме, по-вышается неэластическое сопротивление благодаря ускорению ин- и экспираторных потоков в воздухоносных путях (рис. 1.7, а).

Таким образом, энергетически оптимальным оказывается не-кий средний по своим параметрам паттерн дыхания – естествен-но, неодинаковый для разных людей. Установлено, что любой человек при свободном дыхании избирает обычно именно такой, удобный для него паттерн, примерно соответствующий миниму-му энергозатрат на работу дыхания (рис. 1.7, б) и отражающий морфологические и функциональные особенности того или ино-го организма. (Здесь напрашивается аналогия с индивидуальной походкой любого человека – ритмом и длиной шага.) Параметры спокойного дыхания, свойственные данному индивиду, характе-ризуют его базальный паттерн дыхания.

В этом плане мы условно различаем три группы здоровых лиц: «среднедышащих» нормопноиков, у которых частота дыха-ния не выходит за рамки 8–13 цикл/мин, а дыхательный объем – 0,5–0,7 л, «частодышащих» тахипноиков, у которых эти пара-


16

метры составляют 15–20 цикл/мин и более и 0,3–0,4 л соответ-ственно, и «медленнодышащих» брадипноиков с частотой дыха-ния 4–6 цикл/мин и дыхательным объемом 0,8–1,2 л и более.

Следует заметить, что в последние десятилетия наблюдаются, по сравнению с принятыми ранее «нормативами», существенные сдвиги в параметрах респираторной функции человека (во всяком случае, в развитых странах) – в частности, в сторону увеличения жизненной емкости легких и соответственной перестройки пат-терна дыхания. Так, брадипноики с глубиной дыхания до 2,5 л (!) при ритме всего 2–3 цикла в минуту – ныне отнюдь не редкость. Вероятно, такие изменения обусловлены процессами акселера-ции, а также внедрением физической культуры и спорта в повсед-невную жизнь.

Газообмен в легких

Обмен кислорода и двуокиси углерода в легких идет путем как конвекции, так и, отчасти, диффузии. Конвективный перенос газов, обусловленный легочной вентиляцией, происходит в кон-дуктивной зоне – в первых 16 из 23 ветвлений (генераций) тра-хеобронхиального дерева. Внутрилегочная диффузия газов имеет место в респираторной (частично – в транзиторной зоне) – глав-

Рис. 1.7. Зависимость работы дыхания от его паттерна:По оси ординат – работа дыхания, кгм/мин; по оси абсцисс – частота дыхания,

цикл/мин; а – суммарная работа дыхания (1), ее эластический компонент (2), резистивный компонент (3) и его турбулентная составляющая

(4) при альвеолярной вентиляции 6 л/мин; б – суммарная работа дыхания при разных уровнях альвеолярной вентиляции: А – 8 л/мин;

Б – 16 л/мин; В – 30 л/мин; Г – 43 л/мин. Светлые кружки – частота дыхания, избираемая испытуемым спонтанно. Из: Бреслав И.С., 1984

a б


17

ным образом в альвеолах и в небольшой степени в альвеолярных ходах и респираторных бронхиолах (рис. 1.8, А). Значение это-го процесса, дополняющего конвективное перемешивание газов с наружным воздухом, состоит в том, что создаются диффузион-ные потоки О2 в направлении альвеол, откуда он непрерывно ухо-дит в кровь, и СО2 – из альвеол, куда она поступает из крови.

Рис. 1.8. Ветвление трахеобронхиального дерева (А) и соотношение конвективного и диффузионного обмена газов в воздухоносных путях (Б):

I – кондуктивная зона, II – транзиторная зона, III – респираторная зона; а – трахея, б – бронхи, в – бронхиолы, г – альвеолярные ходы и мешочки, д – альвеолы; цифрами (0–23) обозначены порядковые номера генераций;

е – конвекция, ж – диффузия

Под действием разности парциальных давлений (напряжений, р) дыхательных газов – кислорода и двуокиси углерода (табл. 1.2) – между альвеолярным воздухом и смешанной венозной кровью, притекающей к легочным микрососудам (венулам, альвеолярным капиллярам), идет перенос молекул О2 и СО2 через аэрогемати-ческий барьер. Этот барьер включает, помимо альвеолокапилляр-ной мембраны, также слой плазмы крови в капилляре и мембрану эритроцита, поскольку последний принимает существенное уча-

a

б


18

стие в транспорте газов. Кислород диффундирует из воздуха в кровь, СО2 – в обратном направлении. Данному процессу спо-собствует резкое замедление воздушных потоков в респираторной зоне легких благодаря тому, что общее поперечное сечение мель-чайших бронхов в 4600 раз превышает сечение трахеи (рис. 1.8, Б). Общая площадь газообменной поверхности легких взрослого че-ловека составляет в среднем около 130 м2. Дыхательные газы диф-фундируют в растворенном состоянии: все воздухоносные пути увлажнены слоем слизи. Кроме того, сурфактантная выстилка альвеол (см. ниже) облегчает диффузию О2, который растворяется в фосфолипидах, входящих в состав сурфактанта, гораздо лучше, чем в воде.

Поскольку скорость диффузии газа через мембрану пропор-циональна его градиенту по обе стороны мембраны, то чем боль-ше потребление кислорода и, соответственно, продукция СО2 в тканях, тем, при прочих равных условиях, ниже рО2 и выше рСО2

в покидающей ткани смешанной венозной крови и тем интенсив-нее идет диффузия этих газов через альвеолокапиллярную мемб-рану.

Таблица 1.2

Парциальные давления дыхательных газов, мм рт. ст., в атмосферном воздухе на уровне моря (рI), в альвеолярном газе (рА)

и в смешанной венозной крови (рV)

О2 СО2

рI 159 0,23

рА 103 40

рV 40 46

Кроме того, скорость диффузии дыхательных газов зависит от диффузионной способности легких (DL), измеряемой количеством того или иного газа, проходящего через альвеолокапиллярную мембрану в расчете на единицу градиента парциального давле-ния этого газа. Для кислорода DL составляет 23 мл/мин/мм рт. ст. Это значит, что при обычном альвеолокапиллярном градиенте рО2

, равном примерно 60 мм рт. ст. (см. табл. 1.2), в кровь за 1 мин может перейти по меньшей мере 1200 мл О2 – в 5–6 раз больше, чем обычно в условиях покоя. (Как мы увидим в дальнейшем, организм располагает возможностями значительно увеличить и это количество.) DL для двуокиси углерода, в связи с ее высокой


19

растворимостью, в 20 раз выше, нежели для кислорода, что с из-бытком покрывает сравнительно малый, всего около 6 мм рт. ст., альвеолокапиллярный градиент рСО2

. Эффективность газообменной функции легких зависит еще

от времени пребывания каждой порции крови в альвеолярном капилляре, т.е. от скорости кровотока в малом круге. Однако в обычных условиях данный фактор не ограничивает кисло-родный обмен (не говоря уже об обмене СО2) в легких, ибо рО2

в крови, протекающей через легочные капилляры, успевает урав-новеситься с альвеолярным рО2 уже за 0,3–0,4 с, тогда как для того, чтобы порция крови прошла в легочных микрососудах всю зону диффузии, требуется примерно целая секунда (рис. 1.9). (Мы не входим здесь в рассмотрение такого столь сложного и важного в клинической практике фактора, как неравномерность вентиля-ции и перфузии отдельных зон легких.)

Рис. 1.9. Динамика обмена газов в легких:

Вверху – изменения рО2 и рСО2, мм рт. ст., при прохождении крови

из артериолы (а) через альвеолярный капилляр (с) в венулу (v); Т – транзитное время в капилляре, с. По оси ординат (сверху вниз) – рО2

и рСО2, мм рт. ст. Внизу – схема обмена О2 и СО2 в легочной альвеоле (А).

По Я.М. Коцу, 1982, с изм.

a


20

Скорость разгрузки крови от двуокиси углерода в легких ниже, чем для кислорода. Этот процесс длится около секунды (т.е. зани-мает почти все время прохождения крови через зону диффузии), но в основном завершается примерно за 0,5–0,7 с.

Газовую смесь, заполняющую легочные альвеолы, – альвеоляр-ный газ – можно с полным правом назвать внутренней атмосфе-рой организма, состав которой находится всегда в динамическом равновесии между воздухом, вентилирующим легкие, и кровью, перфузирующей альвеолярные микрососуды. (К тому же в аль-веолах поддерживается стопроцентная относительная влажность и температура «ядра» организма, около 37ºС.) Поскольку альвео-лы отделены от атмосферы довольно протяженными воздухонос-ными путями, процесс диффузии в легких должен для обеспече-ния эффективного обмена газов дополняться их конвективным переносом с инспираторными и экспираторными потоками воз-духа. Эту функцию и выполняет легочная вентиляция, которая обеспечивает непрерывное обновление альвеолярного газа (пра-вильнее – поддержание определенного, более или менее посто-янного его состава – см. табл. 1.1 и 1.2), откуда путем диффузии все время уходит в кровь кислород и куда поступает из крови СО2.

Правда, как говорилось выше, часть вдыхаемого воздуха не достигает альвеол, вентилируя лишь определенный объем воз-духоносных путей, обозначаемый как мертвое пространство (VD). Мертвое пространство, которое когда-то называли «вред-ным пространством», на самом деле выполняет весьма полез-ную функцию: оно служит как бы буфером между вдыхаемым воздухом и альвеолярным газом, позволяя поддерживать посто-янство последнего. В начале вдоха в альвеолы поступает воздух мертвого пространства и только потом – атмосферный. При вы-дохе сперва выводится наружу воздух мертвого пространства и лишь с последней порцией – альвеолярный газ. Следователь-но, выдыхаемый воздух представляет собой смесь воздуха мерт-вого пространства и альвеолярного газа. Разумеется, перепад газового состава разных фракций вдыхаемого и выдыхаемого воздуха происходит не скачками, а плавно, ибо в воздухонос-ных путях, главным образом в респираторной их зоне, все время идет диффузия кислорода в направлении альвеол и СО2 – в на-правлении атмосферы, т.е. по ходу градиентов напряжений этих газов.


21

Таблица 1.3

Среднее фракционное содержание дыхательных газов, об%, во вдыхаемом (FI), выдыхаемом (FE) воздухе

и в альвеолярном газе (FA)

О2 СО2

FI 20,94 0,03

FE 15,8–16,8 3,5–4,5

FA 14,2–14,6 5,2–5,7

Зная усредненный состав выдыхаемого воздуха (табл. 1.3) и легочную вентиляцию, измеряемую, как указано выше, минут-ным объемом дыхания (МОД, V·

E), вычисляют потребление кис-лорода (V·

О2) и выведение двуокиси углерода (V·

СО2) легкими в ми-

нуту. И если у взрослого человека в покое МОД составляет от 5 до 13 л/мин, то V·

О2 и V·

СО2 – соответственно 200–300 и 150–250 мл/мин. Соотношение между выведением СО2 и потреблени-ем кислорода – дыхательный коэффициент (коэффициент дыха-тельного газообмена, RER) – в покое обычно колеблется между 0,75 и 0,90.

Транспорт дыхательных газов с кровью и в тканях

Транспорт кислорода с кровью

Конвективный перенос О2 с током крови представляет собой следующую, после диффузии через альвеолокапиллярную мем-брану в легких, ступень кислородного каскада. «Артериализация» венозной крови в легочных капиллярах повышает ее рО2 пример-но с 40 до 100 мм рт. ст., т.е. почти уравнивает ее по этому показа-телю с альвеолярным газом.

При этом надо учесть, что основная часть (98%) кислорода пе-реносится кровью в связи с дыхательным пигментом гемоглоби-ном, содержащимся в эритроцитах, т.е. в составе оксигемоглобина (остальные 2% О2 остаются растворенными в плазме). Тем самым примерно в 50 раз повышается проводимость данного звена кис-лородного каскада.

Обратимую реакцию оксигенации гемоглобина можно пред-ставить в упрощенном виде:

Hb + О2 → HbO2.


22

Один грамм гемоглобина связывает 1,34 мл кислорода. От-сюда, если в крови здорового человека содержится в среднем 15% гемоглобина, то 100 мл его крови могут переносить около 21 мл О2. Это – кислородная емкость крови. Оксигенация гемогло-бина – доля использования кислородной емкости крови – зави-сит от рО2 среды, с которой контактирует кровь. Эта зависимость описывается кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 1.10). Не линейная, а S-образная форма этой кривой объясняется коопе-ративным эффектом четырех полипептидных цепей гемоглобина, сродство к кислороду которых различно.

Рис. 1.10. Кривые диссоциации оксигемоглобина при различных напряжениях СО2 в крови (эффект Бора):

По оси абсцисс – рО2, мм рт. ст.; по оси ординат – %HbO2. Цифры – рСО2

: а – в артериальной, б – в венозной крови

Благодаря этой особенности венозная кровь, проходя легочные капилляры, – притом, что альвеолярное рО2 приходится на верх-нюю часть кривой диссоциации оксигемоглобина – оксигениру-ется до 96–97% ее кислородной емкости; артериальная же кровь, проходя микрососуды тканей тела, – где рО2 соответствует крутой части кривой – эффективно отдает кислород, деоксигенируясь примерно до 60–70%.

Отдаче кислорода оксигемоглобином в тканях способствует ряд факторов: повышение температуры; увеличение концентра-ции водородных ионов в среде (в свою очередь, обусловленное поступающей из клеток СО2 – так называемый эффект Бора – см. рис. 1.10); содержащийся в эритроцитах 2,3-дифосфоглицерат, синтез которого усиливается при гипоксии. В итоге больше кис-


23

лорода при прочих равных условиях получают те органы, где ин-тенсивнее идут окислительные процессы.

Часть гемоглобина (от 40 до 70%) остается в оксигенированной форме и в венозной крови. Таким образом, каждые 100 мл крови отдают тканям 5–6 мл О2 (артериовенозная разница по кислоро-ду) и, естественно, на ту же величину обогащаются кислородом в легких. Простой расчет показывает, что, например, при минут-ном объеме сердца 5 л кровь переносит 250–300 мл О2/мин.

Транспорт двуокиси углерода кровью

Проходя через капилляры тканей, кровь обогащается дву-окисью углерода; артериальное рСО2 составляет приблизительно 40 мм рт. ст., а венозное – 46 мм рт. ст. В крови не более 5–6% СО2 остаются растворенными в плазме, основная же ее часть бы-стро диффундирует в эритроциты и там гидратируется, образуя нестойкую угольную кислоту. Последняя моментально диссоции-рует на ионы водорода и гидрокарбоната:

СО2 + Н2О → Н2СО3 → Н+ + НСО3–.

Направление этой обратимой реакции зависит от напряжения двуокиси углерода в среде: при повышении рСО2 реакция идет вправо, при снижении – влево. Она резко – в тысячи раз – уско-ряется под действием находящегося в эритроцитах фермента кар-боангидразы.

В форме гидрокарбоната кровью транспортируется около че-тырех пятых общего количества двуокиси углерода. Связыванию СО2 способствует уменьшение кислотных свойств (протонного сродства) гемоглобина в момент отдачи им кислорода (эффект Холдена). При этом гемоглобин освобождает связанный с ним ион калия; с последним, в свою очередь, реагирует угольная кислота:

K+ + HbO2 + H+ + HCO3– → HHb + KHCO3 + O2.

Часть ионов НСO3–

диффундирует в плазму, где связывает ионы натрия, а в эритроцит в порядке сохранения ионного равно-весия поступают ионы хлора. Кроме того, также за счет уменьше-ния протонного сродства, дезоксигенированный гемоглобин легче образует карбаминовые соединения, связывая при этом еще около 15% переносимой кровью двуокиси углерода.

В легочных капиллярах часть СО2 высвобождается и диффун-дирует через альвеолокапиллярную мембрану в альвеолярный


24

газ. Это обусловлено более низким, чем в плазме, альвеолярным рСО2

, а также усилением кислотных свойств гемоглобина при его оксигенации.

В ходе дегидратации угольной кислоты (данная реакция тоже резко ускоряется карбоангидразой) оксигемоглобин вытесняет ионы калия из гидрокарбоната. Ионы НСO3

– переходят из плазмы в эритроцит, а ионы хлора – в обратном направлении. Таким пу-тем каждые 100 мл крови отдают в легких 4–5 мл двуокиси угле-рода (артериовенозная разница по СО2) – то же количество, кото-рое кровь получает в тканях.

Изменения содержания двуокиси углерода, происходящие в крови в ходе перечисленных физико-химических процессов, вы-ражают в форме кривой диссоциации СО2 (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Кривая диссоциации двуокиси углерода в крови:По оси абсцисс – рСО2

, мм рт. ст.; по оси ординат – содержание СО2, об%. Нижняя кривая – кровь, оксигенированная полностью; средняя кривая

(штриховая) – оксигенированная на 70%; верхняя кривая – восстановленная полностью; а – в артериальной, б – в венозной крови

Здесь необходимо обратить внимание на то, что и гемоглобин (ввиду его амфотерных свойств), и гидрокарбонат – помимо их участия в транспорте дыхательных газов – являются важными буферными системами крови. Особую роль играет гидрокарбо-натная система, поскольку в ее состав входит летучая угольная кислота: при поступлении в кровь кислых продуктов тканевого обмена – метаболическом ацидозе – гидрокарбонат как соль этой слабой кислоты отдает свой анион, а избыток СО2 выводится лег-кими, что способствует нормализации рН крови. Именно поэтому гиповентиляция легких сопровождается, наряду с гиперкапнией,


25

увеличением концентрации водородных ионов крови – дыхатель-ным (респираторным) ацидозом, а гипервентиляция, наряду с ги-покапнией, – дыхательным алкалозом.

Транспорт кислорода и двуокиси углерода в тканях

Обмен дыхательных газов между кровью и клетками тканей осуществляется главным образом путем диффузии, в силу раз-ности напряжений газов по разные стороны гистогематического (гематопаренхиматозного) барьера. Сюда помимо сосудистой стенки и клеточной мембраны входит разделяющая их межкле-точная (тканевая) жидкость. И хотя диффузия служит преоб-ладающим механизмом переноса газов через этот барьер, спо-собствующим фактором могут являться конвективные токи, перемешивание в тканевой жидкости и в цитоплазме клетки.

Для кислорода переход в ткани означает следующую, после крови, ступень кислородного каскада (см. рис. 1.1). Среднее рО2 артериальной крови составляет около 100 мм рт. ст., в тканях – примерно 20–40 мм рт. ст. В клетках же (точнее, в митохондриях), где кислород утилизируется, его напряжение стремится к нулю, поэтому он диффундирует из капилляров (частично – также из артериол, что существенно повышает эффективность тканево-го газообмена) тем интенсивнее, чем выше уровень метаболизма в данной ткани (органе).

Наибольшее значение рО2 обнаруживается вблизи артери-ального конца тканевого капилляра, наименьшее – в самой уда-ленной от капилляра точке, «мертвом углу». Как указывалось, функция всей газотранспортной системы организма направлена в конечном счете на поддержание парциального давления на кле-точной мембране не ниже критического, т.е. необходимого для ра-боты ферментов дыхательной цепи в митохондриях. Для клеток, интенсивно потребляющих кислород, критическое рО2 составляет около 10 мм рт. ст. Отсюда следует, что как минимум такое рО2 должно поддерживаться в «мертвом углу».

Общеизвестно, что тканевая гипоксия – недостаточное кис-лородное снабжение ткани – ведет рано или поздно к ее гибели, некрозу. Прежде всего это относится к наиболее чувствительным к тканевой гипоксии нейронам мозга (особенно коры больших полушарий), где окислительные процессы весьма интенсивны. Именно поэтому мероприятия по реанимации человека (в том числе искусственная, аппаратурная, вентиляция легких, а в каче-


26

стве первой помощи – дыхание «рот в рот») приносят успех лишь в том случае, если они начаты не позднее, чем через 4–5 мин после остановки дыхания.

В разделе, посвященном мышечной деятельности, мы рас-смотрим факторы, определяющие относительную устойчивость скелетных мышц к кратковременному прекращению кислород-ного снабжения. Пока же укажем на наличие в мышечной ткани небольшого резерва кислорода, запасаемого в миоглобине. Мио-глобин представляет собой дыхательный пигмент, подобный ге-моглобину. Однако его сродство с кислородом значительно выше, поэтому он оксигенируется, переходя в оксимиоглобин, при отно-сительно невысоком рО2

, зато и отдает кислород при очень низком тканевом рО2 (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Кривые диссоциации оксигемоглобина (а) и миоглобина (б):По оси абсцисс – рО2

, мм рт. ст.; по оси ординат – %HbO2. По К.П. Иванову, 1994

Диффузия двуокиси углерода из клеток тканей в кровь опре-деляется разностью напряжений СО2 по обе стороны гистогема-тического барьера. В клетках рСО2

может достигать 60 мм рт. ст., в то время как среднее артериальное рСО2 составляет около 40 мм рт. ст. Этот градиент может варьировать в заисимости от продук-ции СО2, т.е. интенсивности окислительных процессов в данной ткани (органе). Соответственно варьирует и локальная скорость диффузионного транспорта двуокиси углерода.

В силу данного обстоятельства напряжение СО2 (а также кис-лорода!) в разных венах не одинаково. Так, в крови, оттекающей от работающей мышцы, рСО2 гораздо выше (а рО2

, соответственно,


27

ниже), чем, например, в крови, оттекающей от соединительной ткани. Именно поэтому для определения артериовенозной раз-ницы, которая характеризует суммарный обмен газов в организ-ме, исследуют содержание СО2 и О2 (наряду с артериальной кро-вью – ее газовый состав практически одинаков в любой артерии) в смешанной венозной крови правого предсердия.

* * *В соответствии с основной нашей темой – ролью дыхания при

мышечной деятельности – мы сочли необходимым в дальнейшем более подробно изложить современные представления о регуля-ции этой функции и ее сенсорном аспекте.


28

ГЛАВА 2

Регуляция дыхания

Дыхание человека, точнее, легочная вентиляция, постоянно регулируется в соответствии с меняющимися энергозатратами и, следовательно, с потребностью в доставке кислорода и удале-нии двуокиси углерода. По сути объектом регулирования служат параметры газового состава и кислотно-основного баланса крови и цереброспинальной жидкости: легочная вентиляция призвана поддерживать постоянство этих параметров, необходимое для нормального протекания обменных процессов и вообще жизнеде-ятельности организма в меняющихся условиях внешней и внут-ренней среды.

В целом регуляция дыхания осуществляется на основе следую-щих основополагающих принципов [13, 102]:

– управление по отклонению. Увеличение или уменьшение регулируемого параметра по сравнению с заданной величиной вызывает такое изменение легочной вентиляции, какое противо-действует этому отклонению. Например, рост напряжения СО2 в крови влечет за собой усиление вентиляции и вымывание из-бытка СО2 через легкие;

– управление по возмущению и по прогнозированию. Сигналы из внешней или внутренней среды о предстоящих изменениях регу-лируемого параметра вызывают адекватные перестройки венти-ляции, призванные предотвращать эти изменения. Такие реакции будут рассмотрены в разделах, посвященных регуляции дыхания при работе.

Функцию регуляции дыхания выполняют сложно организо-ванные механизмы. Схематически их можно представить в виде системы автоматического управления, включающей следующие звенья (рис. 2.1): управляющий аппарат – центральный дыха-


29

тельный механизм; его сенсорные (афферентные) входы с хеморе-цепторов, контролирующих химизм крови и ликвора, и с механо-рецепторов, сигнализирующих о параметрах механики дыхания; моторный (эфферентный) выход на эффектор – дыхательные мышцы.

Рис. 2.1. Основные звенья системы регуляции дыхания:ЦДМ – центральный дыхательный механизм; ВА – вентиляторный аппарат

(дыхательные мышцы, легкие); ТГ – транспорт газов кровью; ХР – хеморецепторы; МР – механорецепторы; 1 – управляющий сигнал;

2 – легочная вентиляция; 3 – газовый состав крови; 4 – активация хеморецепторов; 5 – заданные значения рСО2

, рН и рО2 во внутренней среде; 6 – сигнализация от хеморецепторов; 7 – возмущающие химические факторы

(изменения метаболизма или газового состава вдыхаемого воздуха); 8 – активация механорецепторов; 9 – заданные значения параметров дыхания;

10 – сигнализация от механорецепторов; 11 – возмущающие механические факторы (изменения нагрузки на вентиляторный аппарат)

Рассмотрим центральное звено и его сенсорные входы.

Центральный дыхательный механизм

Центральный дыхательный механизм представляет собой целый комплекс нервных структур в стволе головного мозга и в спинном мозгу, имеющих отношение к управлению дыхатель-ными движениями.


30

«Главой» системы регуляции дыхания является так называе-мый центральный генератор паттерна дыхания (ЦГП). Это – со-вокупность дыхательных нейронов (ДН), особых нервных кле-ток, обладающих периодической активностью в ритме дыхания. Фактически термин ЦГП заменяет собой классическое понятие о дыхательном центре как о строго ограниченном образовании в продолговатом мозгу, «необходимом и достаточном» для под-держания циклических сокращений респираторных мышц. Вы-яснилось, что относящиеся сюда структуры входят в состав не одного, а нескольких центров, дыхательных ядер, в составе ре-тикулярной формации мозгового ствола (рис. 2.2). Локализация и функция этих структур уточнена в ряде исследований послед-них десятилетий [13, 44, 81, 155, 166, 189, 200, 326].

Рис. 2.2. Локализация центрального дыхательного механизма:а – проекции дорзальных (ДДГ) и вентральных (ВДГ) групп дыхательных нейронов на дорзальную поверхность продолговатого мозга; б – его срез

на уровне obex (задвижки). РАЯ – ретроамбигуальное ядро; РФЯ – ретрофасциальное ядро; ПАЯ – параамбигуальное ядро;

ЯА – ядро Аоки; ВМГ, ДМГ – вентромедиальная и дорзомедиальная группы ядер одиночного пучка. По В.Д. Глебовскому [44]

Дорзальная группа дыхательных ядер лежит в области ядра одиночного пучка продолговатого мозга. Аксоны расположенных здесь ДН идут преимущественно к мотонейронам шейных сегмен-тов спинного мозга, управляющим движениями диафрагмальной мышцы. Наличие прямой, моносинаптической связи между эффе-рентными, бульбоспинальными нейронами ЦГП и диафрагмаль-ным нервом важно в связи с особой, ведущей ролью диафрагмы в дыхательном акте.

Вентральная группа дыхательных ядер тянется вдоль всего продолговатого мозга. Ее эфферентные проводники направляют-


31

ся в основном к мотонейронам как диафрагмы, так и межреберных и брюшных мышц, лежащим в шейном, грудном и поясничном от-делах спинного мозга соответственно.

Коснемся вкратце классификации отдельных популяций ДН (рис. 2.3). Различают инспираторные нейроны, импульсная ак-тивность которых совпадает с фазой вдоха, и экспираторные ДН, активные на выдохе. В свою очередь, как инспираторные, так и экспираторные нейроны делят на полные, ранние и поздние – в зависимости от того, на какой период вдоха или выдоха при-ходится максимум их активности. Кроме того, есть нейроны, разряжающиеся в момент перехода одной фазы дыхательного цикла в другую: инспираторно-экспираторные и экспираторно-инспираторные.

Рис. 2.3. Четырехзвенная модель дыхательного ритмогенеза:В кружках показан характер импульсной активности данного нейрона

по отношению к дыхательному циклу: 1, 2 – ранний и поздний инспираторный; 3, 4 – ранний и поздний экспираторный; 5, 6 – полный инспираторный и экспираторный; 7, 8 – инспираторно-экспираторный и экспираторно-

инспираторный. Точки – тормозные связи. По [81]

ДН различных популяций в основном топографически пере-мешаны, хотя имеются также изолированные зоны локализации


32

инспираторных или экспираторных нейронов. Так, в дорзальной группе дыхательных ядер сосредоточены инспираторные нейро-ны. Эта группа считается местом интеграции афферентных сти-мулов, поступающих в ЦГП, и важнейшим источником дыхатель-ного ритма. Вентральная же группа включает как инспираторные, так и экспираторные ДН. Она играет важную роль при форсиро-ванном дыхании, когда выдох становится активным.

В целом для функции ЦГП характерно линейное нараста-ние активности инспираторных нейронов на протяжении вдоха (рис. 2.4). Эту так называемую центральную инспираторную активность можно зарегистрировать по ЭНГ диафрагмально-го нерва или волне отрицательного внутригрудного давления. Важнейшим ее количественным показателем служит крутизна на-растания названных параметров (ramp), которая, в свою очередь, связана линейной зависимостью с интенсивностью афферентных стимулов, поступающих в ЦГП от хеморецепторов. С окончанием вдоха активность инспираторных ДН резко обрывается, знаменуя переход к выдоху и активацию экспираторных нейронов. (Правда, в начале экспираторной фазы отмечают небольшую «постинспи-раторную» активность инспираторных нейронов; ей приписыва-ют функцию «сдерживания» эластической тяги легких, растяну-

Рис. 2.4. Динамика центральной инспираторной активности в ходе дыхательного цикла:

Сверху вниз: «необработанная» ЭНГ центрального отрезка диафрагмального нерва; ее скользящая средняя. И – инспирация; Э – экспирация;

ПИА – постинспираторная активность (первая фаза экспирации – Э1); Э2 – вторая фаза экспирации. По В.Д. Глебовскому [44]


33

тых к концу вдоха.) Выключение вдоха происходит тем раньше, чем интенсивнее импульсация от рецепторов растяжения легких. Впрочем, подробнее о роли хемо- и механорецепторов дыхатель-ной системы речь пойдет ниже.

Здесь следует указать, что в составе дыхательных нейронов ЦГП есть клетки, отростки которых контактируют с другими бульбарными нейронами, а также с центрами вышележащих отде-лов мозга, в том числе моста. В числе последних особое место зани-мает пневмотаксический комплекс, расположенный в ростральной части моста. Этот комплекс участвует в формировании дыхатель-ного паттерна, точнее, в механизме выключения вдоха. Активация его нейронов способствует, наряду с импульсацией из рецепто-ров растяжения легких, своевременной смене фаз дыхательно-го цикла. При изоляции ЦГП от пневмотаксического комплекса и от механорецепторных афферентов наблюдается апнеистиче-ское дыхание с резко затянутыми вдохами, хотя периодический характер активности дыхательных нейронов сохраняется.

Любого исследователя регуляции дыхания неизменно волнует главный вопрос: а где же находится первичный источник автома-тии ЦГП, т.е. циклической активности его нейронов?

Ритмическое возбуждение дыхательных нейронов сохраня-ется в полностью изолированном бульбоспинальном препарате [140]. И даже в культуре нервной ткани продолговатого мозга была обнаружена залповая активность нейронов, меняющаяся в зависимости от рСО2 и рН среды [369]. Напрашивается аналогия с автоматизмом сердца, где источником ритмического возбужде-ния служит аутохтонная активация узлов проводящей системы.

Однако в отношении автоматизма ЦГП положение оказалось сложнее: по сию пору не удалось идентифицировать клетки-пейсмейкеры, водители ритма. Полагают, что если такие пейсмей-керы и существуют, то их активность может являться основой ды-хательного ритма только в весьма ограниченных условиях [201]. По-видимому, ЦГП может функционировать лишь при сохранно-сти связей между отдельными популяциями его нейронов. Связи эти носят либо возбуждающий, либо тормозной характер.

Чтобы объяснить, как функционируют респираторные ней-ронные сети, разработан ряд моделей [48]. Упрощенную схему дыхательного ритмогенеза предложил в свое время В.А. Сафо-нов с соавт. [81]. Согласно этой модели (см. рис. 2.4), дыхатель-ные нейроны, относящиеся к разным популяциям, объединены


34

в микрокомплексы. В такой микрокомплекс входит система из четырех ритмообразующих нейронов: раннего инспираторного, позднего инспираторного и таковых же экспираторных. Каждый такой нейрон, возбуждаясь, на короткое время тормозит два пред-шествующих ему по фазе. В то же время освобождается от тор-можения дыхательный нейрон последующей группы: в нем начи-нается деполяризация мембраны до критической величины, при которой он самовозбуждается, тормозя в свою очередь активность предыдущих групп нейронов, и т.д. Что касается полных инспира-торных и экспираторных нейронов, то они рассматриваются здесь как эфферентные: получая из описанной системы возбуждающие стимулы, они непосредственно управляют активностью спиналь-ных мотонейронов дыхательных мышц.

Корригирующие влияния на ЦГП, исходящие из пневмотакси-ческого комплекса, а также из хемо- и механорецепторных аффе-рентов, учтены в модели Брэдли – Ойлера [200]. В данной модели (рис. 2.5) центральное место отводится механизму выключения центральной инспираторной активности: по мере развития вдоха

Рис. 2.5. Модель переключения фаз дыхательного цикла:ЦГП – центральный генератор паттерна дыхания; ПТК – пневмотаксический

комплекс; ИБС – инспираторные бульбоспинальные нейроны; МВИ – механизм выключения инспираций; ХР – хеморецепторы;

ЦИА – генератор центральной инспираторной активности; РРЛ – рецепторы растяжения легких. Светлые кружки – возбуждающие,

черные – тормозные влияния. По C. von Euler [200], с изм.


35

рассматриваемый механизм стимулируется сигналами из рецеп-торов растяжения легких и из пневмотаксического комплекса. Вдох выключается, когда это возбуждение достигает критиче-ского уровня. Последующий выдох длится до тех пор, пока цент-ральная инспираторная активность, нарастающая под влиянием импульсации из хеморецепторов, не инициирует очередной вдох.

Разумеется, приведенные в качестве примеров гипотетические модели еще не могут дать исчерпывающего объяснения, каково в действительности происхождение дыхательной автоматии.

Увеличение легочной вентиляции, которое происходит в основном при мышечной деятельности, обеспечивается активи-зацией моторного выхода центрального дыхательного механизма, т.е. эфферентной части последнего – преимущественно увели-чением частоты импульсации диафрагмальных мотонейронов, а также рекрутированием мотонейронов других дыхательных мышц [44, 211].

* * *Из всего сказанного следует, что центральный дыхательный

механизм представляет собой сложнейший комплекс нейронных структур, ядром которого служит центральный генератор паттер-на дыхания мозгового ствола – источник ритмических импульсов, адресованных респираторным мышцам; его активность корриги-руется влияниями, исходящим как из соответствующих аффе-рентных систем, так и из вышележащих отделов мозга.

Рецепторный аппарат дыхательной системы

Как уже отмечалось, нормальное фукционирование централь-ного генератора паттерна дыхания обусловлено поступлением адекватных «входных» стимулов из хемо- и механорецепторов дыхательной системы [112]. К их рассмотрению мы и перейдем.

Хеморецепторы

К настоящему времени окончательно установлено: собствен-но центральный генератор паттерна дыхания не обладает пря-мой химической чувствительностью ни к напряжению кислоро-да и двуокиси углерода, ни к концентрации водородных ионов в окружающей его среде – крови и цереброспинальной жидкости. Регуляция его активности, а следовательно, легочной вентиля-ции в соответствии с изменениями указанных параметров (что


36

и является главной функцией всего аппарата регуляции дыха-ния) осуществляется исключительно благодаря импульсации из специальных сенсоров – хеморецепторов дыхательной системы (рис. 2.6). Эта импульсация создает тот необходимый стимул, драйв, который вообще поддерживает центральный регуля-тор паттерна дыхания в активном состоянии. Причем легочная вентиляция человека управляется через хеморецепторы пре-имущественно в соответствии с продукцией в организме СО2, т.е. поддерживает во внутренней среде в первую очередь не «кисло-родный», а «углекислотный», или, что почти то же, «водородный» (рН), кислотно-основной гомеостаз. А поскольку продукция СО2 отражает интенсивность окислительных процессов, сказанное не противоречит основной цели дыхания – доставке тканям такого количества кислорода, которое адекватно его потреблению.

Рис. 2.6. Схема хеморецепторной регуляции дыхания:ЦДМ – центральный дыхательный механизм; АХР – артериальные,

БХР – бульбарные хеморецепторы; V·E – легочная вентиляция;

АК – артериальная кровь; ВМЖ – внеклеточная жидкость мозга

Самым требовательным к химическому составу среды органом является мозг. И неудивительно, что у человека первостепенное значение в регуляции дыхания получили центральные, или буль-барные, хемочувствительные зоны, реагирующие как раз на изме-нения рН и рСО2 во внеклеточной жидкости мозга, в то время как периферические (артериальные) хеморецепторы, реагирующие и на недостаток кислорода, играют в обычных условиях более скромную роль.


37

Центральные (бульбарные) хеморецепторы

К локализации и функции центральных хеморецепторов, вви-ду их первостепенной важности в регуляции дыхания, физиологи проявляют неослабевающий интерес [17, 77, 333, 339]. Речь идет о трех ограниченных областях вентролатеральной поверхности продолговатого мозга: ростральной, промежуточной и каудаль-ной. Собственно хемочувствительные образования лежат в пери-васкулярной зоне обильной сети микрососудов мозговой ткани (рис. 2.7, а) и контактируют с прилежащими ядрами ретикулярной формации. Классических рецепторных структур здесь идентифи-

Рис. 2.7. Схема функционирования хеморецепторов:а – бульбарная хемочувствительная структура: 1 – мозг;

2 – кровеносный сосуд, 3 – гематоэнцефалический барьер, 4 – внеклеточная жидкость мозга, 5 – хеморецептор, 6 – стенка черепа;

б – каротидное тело: I, II – клетки I и II типа, СН – синусный нерв. Справа – кривая импульсной активности синусного нерва

(по оси ординат, % максимальной) в зависимости от артериального рО2

(по оси абсцисс, мм рт. ст.). По J. West [441], с изм.

a

б


38

цировать не удается, поэтому правильнее было бы говорить не о хеморецепторах, а о хемочувствительных зонах. В числе встре-чающихся здесь клеточных популяций внимание исследователей привлекают крупные мультиполярные нейроны как наиболее ве-роятный субстрат центральной хеморецепции, так как электриче-ская активность именно этих клеток растет при ацидозе. Интерес-но, что в тех же областях обнаружены структуры, участвующие, по-видимому, в регуляции не только дыхания, но и кровообраще-ния [77, 183]. Данный факт может пролить свет на недостаточно изученные механизмы координации обеих функций.

Выключение бульбарных хемочувствительных зон путем коа-гуляции или охлаждения частично или полностью устраняет у животных реакцию на вдыхание СО2 (гиперкапнию) и приво-дит к гиповентиляции с дыхательным ацидозом, нестабильности, а то и к полной остановке дыхания [148, 385]. С другой стороны, локальная электрическая или химическая (путем орошения под-кисленными растворами) стимуляция этих зон усиливает ин-спираторную активность центрального дыхательного механизма [77]. Правда, пути, связывающие рассматриваемые образования с центральным генератором паттерна дыхания, пока недостаточно ясны.

Как указывалось, адекватными раздражителями централь-ных хеморецепторов считают напряжение двуокиси углерода и/или концентрацию водородных ионов во внеклеточной жидкости мозга. Поскольку эти показатели, в свою очередь, зависят от рСО2 и рН артериальной крови, то тем самым бульбарные хемо-рецепторы участвуют в обеспечении химического гомеостаза организма в соответствии с уровнем продукции СО2, работая по принципу отрицательной обратной связи: гиперкапния и ацидоз вызывают рост легочной вентиляции, а гипокапния и алкалоз дей-ствуют в обратном направлении.

Вместе с тем они играют особую роль в стабилизации химиз-ма среды, непосредственно окружающей нейроны мозга. Такой стабилизации способствует и функция гематоэнцефалического барьера, который регулирует рН ликвора. Долгое время дебати-ровался вопрос, какой именно фактор служит непосредственным стимулятором рассматриваемых хемочувствительных структур: рСО2 или же тесно связанная с этим параметром концентрация во-дородных ионов? Исследователи [77] склоняются к мнению, что таким стимулятором является скорее все-таки не сама двуокись углерода, а [H+] внеклеточной жидкости мозга.


39

Итак, важнейшая функция хеморецепторов вентролатераль-ной поверхности продолговатого мозга заключается в регуля-ции дыхания в соответствии с продукцией двуокиси углерода и кислотно-основным балансом внутренней среды, в том числе на локальном уровне – в стабилизации рН внеклеточной жидкости мозга.

Артериальные (периферические) хеморецепторы

Сюда относятся хемочувствительные структуры, расположен-ные в области синуса (бифуркации) сонной артерии (синокаро-тидная зона), а также дуги аорты.

Первая из этих структур изучена весьма обстоятельно [17, 80]. Это – каротидное тело (каротидный клубочек, или гломус). Оно представляет собой инкапсулированное образование, богато иннервированное афферентными и эфферентными волокнами и обильно васкуляризованное. Из расположенных здесь двух ти-пов клеток собственно хемочувствительную функцию приписы-вают более крупным клеткам I типа (рис. 2.7, б).

Адекватными стимуляторами хеморецепторов каротидного тела служат следующие сдвиги в химизме омывающей их арте-риальной крови: снижение напряжения кислорода (гипоксемия); повышение напряжения двуокиси углерода (гиперкапния); уве-личение концентрации водородных ионов (ацидоз). Особенно чувствительны эти рецепторы к осциллирующему, прерывистому стимулу – колебаниям артериальных рО2

, рСО2 и рН. Импульсация из рассматриваемых хеморецепторов передается

в продолговатый мозг через синусный нерв (ветвь языкоглоточ-ного) и служит, как уже отмечалось, одним из источников инспи-раторной активности центрального генератора паттерна дыхания. Артериальные хеморецепторы прежде всего являются источни-ком стимуляции дыхания при гипоксии – гипоксического драйва. Более того, в экспериментах на животных тоническая активность афферентных волокон синусного нерва обнаружена уже при нор-мальном рО2 артериальной крови и исчезает только при гиперок-сии, вызванной вдыханием кислорода. С падением артериально-го рО2 хеморецептивная импульсация каротидного тела растет (см. рис. 2.7, б), причем в нелинейной, гиперболической зависи-мости (вновь убывая, однако, при крайних степнях гипоксемии).

Афферентная активность синусного нерва усиливается также при гиперкапнии и адидозе, в прямой пропорции с повышением рСО2 и [H+] в крови, омывающей каротидное тело.


40

Описанные реакции каротидных хеморецепторов сопровожда-ются адекватным повышением легочной вентиляции. Таким об-разом, эти рецепторы, как и бульбарные, действуют по принципу отрицательной обратной связи. Добавим, что их чувствительность к адекватным стимулам может меняться – по-видимому, благода-ря влияниям, передаваемым через иннервирующие каротидный клубочек эфферентные волокна различной модальности, в том числе симпатические, а также действию ряда нейромедиаторов и нейромодуляторов (субстанция Р, дофамин, энкефалины и пр.), которые обнаруживаются в гломусных клетках [362].

Важной особенностью каротидного тела является его исклю-чительно интенсивное кровоснабжение (до 2 л крови в минуту в расчете на 1 г массы) в сочетании с высоким удельным потреб-лением кислорода (1,14 мл/мин/г, в 3–4 раза больше, чем у моз-га!). Этим объясняют чувствительность данных хеморецепторов к снижению не только напряжения кислорода, но и его содержания в крови, что имеет место при уменьшении кислородной емкости крови, например при анемии. По-видимому, недостаточное кисло-родное снабжение ведет к нарушению окислительных процессов в хемочувствительных клетках каротидного тела. Поскольку не только при ацидозе, но и при гиперкапнии непосредственным раз-дражителем артериальных (как и центральных) хеморецепторов служит, по-видимому, [H+] [123], высказывалась мысль о возмож-ной роли нарушения транспорта водородных ионов как единого механизма хеморецепции, общего для реакций как на гипоксию, так и на гиперкапнию и ацидоз. Правда, эта заманчивая гипотеза пока не получила надежного подтверждения.

Вторая хеморецептивная зона артериального русла – дуга аор-ты. Здесь расположены аортальные тела – небольшие образова-ния, связанные с продолговатым мозгом посредством аортального (ветвь блуждающего) нерва и сходные по структуре с каротидным клубочком. В принципе одинакова и важнейшая функция каро-тидных и аортальных хеморецепторов как кислородных сенсоров. Однако последние более чувствительны к гипоксемии (причем не только к напряжению, но и, особенно, к содержанию О2 в артери-альной крови), а их реакции на гиперкапнию и ацидоз слабы либо вовсе отсутствуют. В целом же роль аортальных хеморецепторов в регуляции дыхания человека несущественна.

Обратим внимание на то, что бифуркация сонной артерии слу-жит «воротами» для кровоснабжения мозга, в то время как дуга аорты – это «ворота» для всего большого круга кровообращения.


41

Отсюда вытекает и отмеченное различие в функциях локализо-ванных здесь хеморецепторов. Как в синокаротидной зоне, так и в дуге аорты расположены (в отличие от хеморецепторов, непо-средственно в стенках сосудов) также барорецепторы, реагирую-щие на изменения кровяного давления. Такое соседство, конечно, не случайно. Совместный контроль дыхания и кровообращения обеспечивает устойчивое снабжение кислородом жизненно важ-ных органов и прежде всего мозга. И если хеморецепторы каро-тидного тела играют заметную роль в регуляции легочной вен-тиляции, что важно прежде всего для кислородного обеспечения мозга кровью, притекающей по сонной артерии, то аортальная рефлексогенная зона служит преимущественно важным звеном в регуляции давления в артериях большого круга и работы сердца, тогда как локализованные здесь хеморецепторы принимают в ре-гуляции дыхания лишь небольшое участие.

Еще раз подчеркнем: роль артериальных хеморецепторов в регуляции дыхания заключается главным образом в том, что они служат единственными «кислородными сенсорами», защищающи-ми организм от гипоксии: рост легочной вентиляции в ответ на вдыхание газовых смесей с пониженным содержанием кислорода практически исчезает после двустороннего удаления или денерва-ции каротидных тел, хотя в покое заметных нарушений дыхания у пациентов, перенесших такую операцию, не наблюдали [435]. От-метим также, что в связи с морфофункциональными различиями между центральными и периферическими хеморецепторами по-следние реагируют относительно быстро, в течение считанных се-кунд, и тем самым обеспечивают начальную фазу вентиляторной реакции на острую гиперкапнию или ацидоз [401].

* * *Тесная сопряженность легочной вентиляции с уровнем газо-

обмена в организме не раз побуждала исследователей искать хе-морецепторы, помимо описанных выше, также непосредственно в тканях, в венозном русле и даже в самих легких. Но поскольку основанием для таких поисков послужили данные, полученные в условиях мышечной деятельности, относящиеся сюда сведения рассмотрим в соответствующем разделе книги.

Реакции дыхания на хеморецептивную стимуляцию (драйв)

Мы уже отмечали ведущую роль гиперкапнического стимула в регуляции дыхания. Напомним, что гиперкапнический драйв обусловлен напряжением двуокиси углерода и концентрацией


42

водородных ионов во внеклеточной жидкости мозга и артериаль-ной крови и что он опосредован бульбарными и, хотя и в меньшей степени, также артериальными хеморецепторами.

Фундаментальная закономерность гиперкапнической стиму-ляции дыхания заключается в линейной зависимости легочной вентиляции от рСО2 артериальной крови (или рСО2 альвеолярного газа – обычно эти величины почти идентичны), примерно в диа-пазоне 45–65 мм рт. ст. (При более высоком рСО2 происходит «на-сыщение» вентиляторной реакции, и ее линейность нарушается.) Эта зависимость измеряется в ходе дыхания испытуемого газовой смесью (или смесями) с постепенным нарастанием содержания двуокиси углерода либо с помощью возвратного дыхания в за-мкнутой системе и описывается формулой:

V·E = S (B – рСО2

),

где V·E – легочная вентиляция при данном артериальном (альвео-

лярном) рСО2, S – прирост вентиляции в расчете на 1 мм рт. ст.

рСО2, В – точка апноэ, теоретический порог гиперкапнической

стимуляции дыхания, т.е. минимальное рСО2, ниже которого этот

стимул исчезает и по идее дыхательная ритмика должна прекра-титься (о том, что практически это не так, речь впереди).

Наклон (slope) линии, описывающей данную закономерность (рис. 2.8), рассматривается как показатель вентиляторной чув-ствительности к гиперкапническому стимулу. Этот показатель

Рис. 2.8. График вентиляторной чувствительности к СО2:

По оси абсцисс – артериальное рСО2, мм рт. ст.; по оси ординат – легочная

вентиляция, л/мин. 1–2 – линейная часть кривой; В – точка апноэ; β – угол наклона кривой (slope)


43

(S в приведенной формуле) у человека может составлять от 1,9 до 3,0 л/мин/мм рт. ст., а точка апноэ (B) – между 30 и 40 мм рт. ст. рСО2

.С усилением гиперкапнического стимула прежде всего линей-

но растет дыхательный объем и лишь затем наблюдается учаще-ние дыхательных циклов [9].

Ведущая роль центральных хеморецепторов в реакции на ги-перкапнию становится очевидной, если при тестировании венти-ляторной чувствительности СО2 давать в смеси с 40%-ным или чистым кислородом, выключая таким образом функцию артери-альных хеморецепторов. Правда, тогда рост вентиляции развива-ется медленнее, и кривая реакции сдвигается вправо.

Заметим, что ингаляция даже небольших концентраций (все-го 1–3%) двуокиси углерода обязательно сопровождается, на-ряду с адекватным ростом легочной вентиляции, повышением, хотя бы минимальным, артериального рСО2 – абсолютно полной компенсации гиперкапнического сдвига в таких условиях не бы-вает [198]. Это – проявление лежащего в основе данной реакции принципа управления по отклонению: компенсаторная реакция проявляется лишь постольку, поскольку существует отклонение регулируемого параметра; нет отклонения – нет и реакции.

Вместе с тем следствием высокой чувствительности механиз-мов регуляции дыхания к гиперкапнической стимуляции явля-ется относительное постоянство артериального рСО2

, которое у человека редко выходит за пределы диапазона 35–42 мм рт. ст., и рН, которое в норме сохраняется на уровне около 7,4. С другой стороны, гиперкапнический драйв служит, как подчеркивалось, одним из условий активности центрального генератора паттерна дыхания.

По сравнению с гиперкапническим драйвом гипоксический стимул играет в обычных условиях более скромную роль в регу-ляции дыхания. Влияние его на легочную вентиляцию опосредо-вано артериальными хеморецепторами, главным образом (если не исключительно) синокаротидными.

Адекватным источником этого стимула служит артериальная гипоксемия. Оценить вес гипоксического драйва в поддержании требуемого уровня вентиляции можно с помощью «физиологиче-ской денервации» периферических хеморецепторов путем пере-вода испытуемого на дыхание чистым кислородом или гиперокси-ческой смесью (тест Дежура [179]: при этом вентиляция обычно


44

падает на 10–20%). (Остальная часть хеморецепторного драйва, естественно, приходится на долю гиперкапнической стимуля-ции.) Падение МОД бывает выражено гораздо ярче, если инга-ляция О2 происходит на фоне гипоксемии – в условиях дыхания гипоксической смесью (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Реакции легочной вентиляции на вдыхание кислорода (тест Дежура) в условиях дыхания воздухом (сплошная линия)

и гипоксической смесью (пунктир):По оси абсцисс – время, с; по оси ординат – изменение вентиляции,

% к исходной при дыхании воздухом

По мере снижения напряжения кислорода в артериальной кро-ви (а следовательно, и в альвеолярном газе) легочная вентиляция растет за счет как углубления, так и учащения дыхания [11]. Зави-симость эта носит нелинейный характер (см. рис. 2.7, б) и не слу-чайно напоминает кривую диссоциации гемоглобина в переверну-том виде. Дело в том, что прирост вентиляции теснее коррелирует не с падением рО2

, а со степенью дезоксигенации артериальной крови, другими словами – с убылью количества переносимого кровью кислорода [364].

Такая зависимость обеспечивает адекватную компенсацию дефицита кислородного транспорта при различных степенях ги-поксемии. В самом деле, заметный рост вентиляции начинается, когда артериальное рО2 падает ниже 85–90 мм рт. ст., что соответ-ствует крутой части кривой диссоциации оксигемоглобина. Пик вентиляторной реакции на гипоксический стимул достигается при артериальном рО2 около 32 мм рт. ст. На основании этих соот-


45

Рис. 2.10. Зависимость легочной вентиляции от альвеолярного рО2:

По оси абсцисс – рО2, мм рт. ст.; по оси ординат – вентиляция, л/мин.

Остальные пояснения в тексте

ношений количественной мерой гипоксического стимула избрали величину, обратно пропорциональную артериальному (или альве-олярному) рО2 за вычетом 32 мм рт. ст. (асимптота С на рис. 2.10), а влияние этого стимула отсчитывают от уровня вентиляции (асимптота V·

0) при столь большом рО2 (115–120 мм рт. ст.), при котором гипоксический драйв почти исчезает. В итоге вентиля-торную чувствительность к гипоксическому стимулу, которую обычно тестируют, давая испытуемому вдыхать газовые сме-си с пониженным содержанием О2, характеризуют параметром А – приростом МОД при максимальной интенсивности этого сти-мула:

V·E = V·

0 + A / (рО2 – C).

Однако реакции дыхания на гипоксию не столь однозначны.С одной стороны, гипоксическая стимуляция артериальных

хеморецепторов вызывает рост легочной вентиляции. Но с дру-гой – это влечет за собой усиленное вымывание двуокиси угле-рода через легкие и падение артериального рСО2

, гипокапнию, т.е. ослабление гиперкапнического драйва с последующим сни-жением вентиляции. Иными словами, дыхательная реакция на острую гипоксию носит двухфазный характер. Если не допускать развития гипокапнии, добавляя, например, во вдыхаемую гипок-сическую смесь СО2, т.е. поддерживая изокапнию, реакция на ги-поксию оказывается значительно более устойчивой.


46

Но кроме того, сама по себе гипоксия оказывает прямое тормоз-ное действие на центральный дыхательный механизм. Не говоря уже о воздействии глубокого кислородного голодания мозга, по-добное торможение дыхательной активности можно наблюдать и при мягкой гипоксии. Так, в условиях снижения оксигенации крови всего до 80% переход на дыхание кислородом (т.е. «острое» выключение артериальных хеморецепторов – упомянутый тест Дежура) сопровождался резким падением вентиляции (см. рис. 2.9; по Holtby et al. [252]). У человека, перенесшего резекцию каротид-ных тел, умеренная гипоксия вызывала вместо усиления, наоборот, угнетение вентиляторной реакции на СО2 [254]. Тот же эффект наблюдается и у здоровых при резких степенях гипоксии [276].

Важным фактором в регуляции дыхания является взаимодей-ствие хеморецептивных стимулов. В определенных границах оба стимула – гиперкапнический и гипоксический – обладают вза-имным потенцирующим действием [123]. Так, умеренные степе-ни гипоксии усиливают реакцию дыхания на двуокись углерода: снижается порог этой реакции (рСО2 в точке апноэ), увеличивает-ся вентиляторная чувствительность (прирост МОД) к этому фак-тору. Гипероксия дает обратный эффект [262].

В свою очередь, в условиях гиперкапнии и особенно ацидоза, в частности, при повышении концентрации молочной кислоты в артериальной крови, растет вентиляторная чувствительность к гипоксии (рис. 2.11). Напротив, выраженная гипокапния (арте-

Рис. 2.11. Зависимость легочной вентиляции от альвеолярного рО2 при различных уровнях альвеолярного рСО2

:По оси абсцисс – рО2

, мм рт. ст.; по оси ординат – вентиляция, л/мин. Цифры на кривых – рСО2

, мм рт. ст.


47

риальное рСО2 ниже 30 мм рт. ст.) приводит к тому, что вдыхание смеси с пониженным содержанием О2 вызывает вместо роста вен-тиляции... апноэ [355], ибо при полном выключении ведущего, ги-перкапнического драйва выявляется тормозной эффект гипоксии.

* * *Обобщая изложенные сведения, надо еще раз подчеркнуть,

что существеннейшая роль хеморецепторов состоит в регуляции дыхания в соответствии с текущим уровнем обменных процессов в организме.

Механорецепторы

Как мы уже отмечали, система регуляции дыхания обеспечива-ет не только соответствие легочной вентиляции метаболическим и энергетическим потребностям организма, но и наиболее эко-номичный паттерн дыхания, отвечающий индивидуальным мор-фофункциональным свойствам дыхательного аппарата человека. В этом плане в качестве неотъемлемого звена системы регуляции дыхания выступают механорецепторы легких и воздухоносных путей, а также дыхательных мышц. Рефлексы с этих рецепторов выполняют функцию обратных связей между центральным дыха-тельным механизмом и эффектором – респираторной мускулату-рой и должны быть отнесены к собственным рефлексам дыхатель-ного аппарата [43].

Механорецепторы легких и воздухоносных путей

Сюда относится целый комплекс сенсорных образований различной модальности: рецепторы растяжения легких, реаги-рующие почти исключительно на механические стимулы, а так-же ирритантные и юксталегочные рецепторы, чувствительные и к некоторым раздражителям химического характера. Афферент-ными путями, которые связывают все эти рецепторы с централь-ным дыхательным механизмом в продолговатом мозгу, служат центростремительные волокна легочной ветви блуждающего нер-ва [43].

Рецепторы растяжения легких (РРЛ) служат важнейшим чувствительным звеном аппарата, корригирующего параметры дыхательного цикла. Они расположены в стенках всего трахео-бронхиального дерева, в основном в области корней легких.

Возбуждение РРЛ вызывается повышением трансмурально-го давления в воздухоносных путях, т.е. ростом давления воздуха


48

в их просвете, а еще точнее – внутренним напряжением их стенок. Основным фактором, влияющим на состояние стенок внутриле-гочных воздухоносных путей, является эластическая тяга легких, которая, в свою очередь, напрямую зависит от их объема. Таким образом, растяжение легких при вдохе сопровождается возбуж-дением РРЛ. Причем обнаружены два вида РРЛ: рецепторы, реа-гирующие преимущественно на увеличение объема легких, – они расположены главным образом в крупных внелегочных воздухо-носных путях – и рецепторы, чувствительные к скорости измене-ния этого объема, локализованные в мелких бронхах [49].

Важнейшая роль РРЛ состоит в регуляции длительности вдо-ха, точнее, в механизме его выключения (в котором участвует, как говорилось, также пневмотаксический комплекс моста – см. рис. 2.2). Речь идет об известном рефлексе Бройера – Герин-га. На протяжении вдоха, по мере растяжения легких, активность РРЛ непрерывно возрастает. Как только она достигает определен-ного порога, центральная инспираторная активность (см. выше) резко ослабевает, и вдох сменяется выдохом. Чем больше и чем быстрее растягиваются легкие, тем раньше обрывается вдох. Вы-ключение афферентной импульсации из РРЛ путем их блокады или перерезки блуждающих нервов (ваготомии) ведет к значи-тельному удлинению вдохов, отчасти и выдохов.

Следовательно, сигнализация из РРЛ в какой-то степени опре-деляет соотношение между дыхательным объемом и длительно-стью вдохов. Таково основное значение функции РРЛ для регуля-ции паттерна дыхания.

До некоторой степени сходную функцию выполняют также ирритантные рецепторы (ИР; их называют также быстроадап-тирующимися механорецепторами воздухоносных путей). Эти рецепторы, как и РРЛ, обнаружены в стенках всех частей трахео-бронхиального дерева, особенно в области корней легких.

ИР реагируют на сильное (а главное – быстрое) изменение объема легких – как на раздувание, так и, особенно, на спадение, а кроме того – на ряд химических раздражителей: гистамин и др. Раздувание легких вызывает инспираторное возбуждение, кото-рое соответствует глубоким вдохам («вздохам»), периодически возникающим у человека на фоне спокойного дыхания. Наиболее заметной реакцией, опосредованной ИР, является ускорение на-ступления очередного вдоха в ответ на спадение легких. При сти-муляции этих рецепторов в эксперименте наблюдается учащение


49

дыхания, преимущественно за счет укорочения выдохов [279]. Од-нако в регуляции параметров дыхательного цикла ИР участвуют в гораздо меньшей степени, нежели РРЛ.

Следует добавить что возбуждение ИР трахеи и бронхов вы-зывает защитные рефлексы – бронхоспазм и кашель.

В тесном соседстве с респираторными бронхиолами и капил-лярами малого круга обнаружены так называемые юксталегочные (юкстакапиллярные) рецепторы, или J-рецепторы. Их адекват-ным раздражителем служит, по-видимому, переполнение и застой крови в легочных микрососудах. Кроме того, они чувствительны к некоторым биологически активным веществам. При их стиму-ляции наблюдается частое и поверхностное дыхание – тахипноэ.

Полагают, что J-рецепторы возбуждаются в условиях легочной патологии, выполняя роль ноцицепторов [454]. Значение их для регуляции дыхания в нормальных условиях пока неясно.

Механорецепторы дыхательных мышц

Рассмотренный выше рецепторный аппарат легких и воздухо-носных путей выполняет роль обратной связи, с помощью кото-рой центральный генератор паттерна дыхания формирует адек-ватные эфферентные стимулы, адресованные респираторным мышцам. Это целиком и полностью относится к функции главно-го инспиратора – диафрагмы, поскольку ее собственные механо-рецепторы не принимают существенного участия в управлении ее сокращениями. Проприоцепторы же, которыми обильно снабже-ны межреберные мышцы, осуществляют прежде всего коррекцию дыхательных движений и обеспечивают точность выполнения по-ступающих моторных команд.

Механорецепторы диафрагмы представлены главным обра-зом сухожильными рецепторами растяжения. Их возбуждение происходит на вдохе и оказывает, посредством афферентных во-локон диафрагмального нерва, слабое и непостоянное тормозное влияние на диафрагмальные мотонейроны [200]. По-видимому, роль этих рецепторов в регуляции дыхания невелика: сокращения диафрагмальной мышцы управляются в значительной степени под корригирующим влиянием импульсации из рассмотренных выше рецепторов растяжения легких. Впрочем, диафрагмальные рецепторы участвуют в формировании дыхательных ощущений и, в частности, в генезе императивного стимула (о нем пойдет речь в гл. 3).


50

Напротив, механорецепторы межреберных мышц занимают в системе регуляции дыхания весьма видное место. Реберная му-скулатура содержит в основном рецепторы растяжения в виде ин-трафузальных волокон, мышечных веретен. Особенно богаты ими инспираторные, наружные межреберные мышцы. Афферентная импульсация этих рецепторов направляется по центростреми-тельным волокнам межреберных нервов.

Рассматриваемые рецепторы возбуждаются при растяже-нии межреберных мышц, в результате чего тонус этих мышц по-вышается. Данный рефлекс осуществляется на спинномозговом, сегментарном уровне (рис. 2.12). Во время вдоха возбуждаются гамма- и альфа-мотонейроны. Если при этом наступает рассогла-сование длины экстра- и интрафузальных мышечных волокон

Рис. 2.12. Проприоцептивная регуляция активности межреберных мышц:

ЦДМ – центральный дыхательный механизм; Л – легкие; 1 – ретикулоспи-нальный путь; 2 – афферентное волокно, исходящее из мышечного веретена;

3 – восходящие пути; 4 – афферентные волокна блуждающего нерва; 5 – экстрафузальные мышечные волокна, иннервируемые

альфа-мотонейроном; 6 – мышечное веретено, иннервируемое гамма-мотонейроном. По В.Д. Глебовскому [43], с изм.


(что происходит в случае какого-либо препятствия к их сокра-щению), веретена активируются и посредством афферентного нейрона усливают возбуждение альфа-мотонейрона. В результате экстрафузальные волокна усиливают свое сокращение, стремясь восстановить соответствие с длиной интрафузальных волокон.

Значение описанного рефлекса состоит в регуляции силы со-кращений мышц в соответствии с величиной сопротивления вдоху и/или выдоху. Веретена можно рассматривать как часть «следя-щей сервосистемы» [43]. Рефлексы с проприоцепторов межребер-ных мышц способствуют компенсации механических нагрузок на дыхательный аппарат, поэтому их роль становится заметной при гиперпноэ, увеличении сопротивления дыханию и т.п.

Нельзя не упомянуть и об участии механорецепторов ребер-ной мускулатуры в дыхательной сенсорике. В частности, их счи-тают «измерителями глубины дыхания» (подробнее об этом речь пойдет опять-таки в гл. 3).

Проприоцепторы мышц брюшной стенки выполняют пример-но те же функции, что и рецепторы межреберных (экспиратор-ных) мышц. По-видимому, они участвуют в регуляции форсиро-ванного выдоха.

* * *Итак, механорецепторы легких, воздухоносных путей и респи-

раторной мускулатуры участвуют в регуляции длительности фаз дыхательного цикла и силы сокращений дыхательных мышц. Тем самым они способствуют формированию паттерна дыхания, опти-мального по своим объемным и временным характеристикам.


52

ГЛАВА 3

Дыхательная сенсорика и произвольный контроль дыхания

Из всех висцеральных систем организма дыхательная являет-ся самой кортикализованной: ее функция, подчиненная ритмиче-ским стимулам из стволовых структур центрального дыхательно-го механизма, вместе с тем подвержена в большой мере влияниям из высших отделов мозга. Достаточно напомнить, что у бодрству-ющего человека (в отличие от животных) ритмичное дыхание не прекращается даже при наступлении точки апноэ – резком падении артериального рСО2 после гипервентиляции легких, когда исчезает гиперкапнический стимул, необходимый для поддержа-ния активности центрального генератора паттерна дыхания [9]. В свою очередь, паттерн дыхания весьма изменчив в зависимости от психогенных факторов [11, 313], а также от «уровня бодрство-вания» [40, 363].

Но наиболее важным следствием высокой кортикализации ды-хания является способность человека в определенных ситуациях отчетливо ощущать свои дыхательные движения и управлять ими. Приходится отметить, что этот, сенсорный, аспект физио-логии дыхания пока изучен недостаточно (см. обзоры: [12, 269]).

В предшествующих главах книги были изложены физиологи-ческие механизмы регуляции дыхания как метаболической функ-ции, обеспечивающей прежде всего доставку тканям организма требуемого количества кислорода. Эти механизмы действуют ав-томатически, непроизвольно, т.е. без участия сознания.

Но система дыхания является в то же время неотъемлемой частью локомоторной сферы организма: ведь все респираторные мышцы (а они, помимо основной своей функции, участвуют в позотонических и двигательных актах, а также в функции речи)


53

относятся к произвольным, поэтому человек способен сознатель-но контролировать свои дыхательные движения.

Необходимым условием такой способности должна быть осо-знаваемость информации, поступающей из афферентных струк-тур дыхательного аппарата. Критерием же осознанного вос-приятия данной информации может служить ее вербализация, возможность словесного отчета. В применении к респираторной функции словесный отчет может звучать примерно так: «я дышу глубоко (поверхностно), часто (редко)», «мне трудно вдыхать (выдыхать)» и т.п.

Рассмотрим вначале сенсорные механизмы дыхательной си-стемы, ответственные за те ощущения, которые лежат в основе произвольного контроля дыхания.

О дыхательной сенсорике человека

Восприятие параметров дыхания

Как известно, здоровый человек в покое не ощущает свое ды-хание (разумеется, если не обращает специального внимания на эту функцию), как не ощущает, скажем, работу сердца. Дыхание становится отчетливо воспринимаемым лишь в случае намерен-ной фиксации внимания, а также при напряженных физических нагрузках и определенных формах патологии.

С другой стороны, человек может в определенных границах не только менять на заданную величину частоту и глубину свое-го дыхания под контролем, например, спирограммы, но и вос-производить такие маневры (о чем подробнее пойдет речь ниже) на основе собственных ощущений [7, 70]. Большинство авторов, исследовавших данный вопрос, сходится во мнении, что человек вряд ли способен непосредственно оценивать фактические объе-мы и скорости потоков вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Меняя же по заданию указанные параметры дыхания, он руководствует-ся главным образом усилиями, развиваемыми респираторными мышцами [7, 8, 12, 89, 207, 284], a так как эластическая тяга легких и грудной стенки облегчает маневр, например выдох до положения функциональной остаточной емкости легких (ФОЕ) после мак-симального вдоха либо вдох до ФОЕ после максимального выдо-ха, то достигнутый объем недооценивается. И, напротив, маневры, направленные против эластической тяги, сопровождаются пере-оценкой объемов. Самой трудной оказалась самооценка объемов


54

в зоне, близкой к ФОЕ, т.е. при минимальном напряжении ре-спираторных мышц [16, 284]. Рост глубины дыхания, вызван-ный естественными стимулами – гиперкапнией или мышечной нагрузкой, также распознается человеком, но лишь тогда, когда дыхательный объем (а значит, напряжение мышц-инспираторов) достигает некоторой пороговой величины – в среднем 0,7 л [440]. Усилие, развиваемое дыхательными мышцами, зависит и от со-противления этому усилию. Если испытуемый дышит через труб-ку, создающую добавочное аэродинамическое сопротивление, либо вдыхает газовую смесь повышенной плотности (что дости-гается добавлением шестифтористой серы), он дает преувеличен-ную оценку своему дыхательному объему; ингаляция же «легкой» (гелиевой) смеси сопровождается противоположным эффек-том [10].

Удавалось обучить испытуемых и непосредственной само-оценке величины развиваемых ими инспираторных усилий, по-казателем которых служило пиковое инспираторное давление в воздухоносных путях [16].

Наконец, еще одним доказательством связи восприятия глуби-ны дыхания с интенсивностью сокращений респираторных мышц служит тесная корреляция самооценки человеком дыхательно-го объема как с инспираторным внутригрудным давлением, так и с электрической активностью наружных межреберных мышц [365].

Все изложенное указывает на роль проприоцепторов межре-берных мышц, представленных их мышечными веретенами (како-выми диафрагма, напротив, довольно бедна), в качестве главных источников ощущений дыхательного усилия и «измерителей глу-бины дыхания» [43] (см. гл. 2).

Вместе с тем в формировании дыхательных ощущений может участвовать (и даже выполнять замещающую функцию) сигна-лизация из рецепторов растяжения легких и грудной стенки. Так, при «пассивном» дыхании, создаваемом с помощью нагнетания воздуха в легкие, самооценка дыхательных объемов испытуемы-ми оказалась даже более точной, нежели при обычном, активном дыхании [409]. Некоторую роль здесь могут играть и рецепторы верхних дыхательных путей. Правда, маловероятно, чтобы эта их роль была существенной: воспринимаемые изменения дыхатель-ного объема не зависят от того, дышит человек через нос или через рот [207].


55

Феномен одышки

Особо следует рассмотреть специфические ощущения, объеди-няемые словом «одышка». Это понятие соответствует нескольким терминам, которые используются в англоязычных публикациях: dyspnea, breathlessness, short breathing, air hunger. К сожалению, в нашей литературе нередко одышку путают с измененным пат-терном дыхания – тахипноэ, гиперпноэ. Следует со всей опреде-ленностью указать: речь здесь идет именно об ощущениях, кото-рые характеризуются дыхательным дискомфортом, хотя одышка действительно нередко (но далеко не всегда!) сопровождается упомянутыми изменениями характера дыхания.

Эти ощущения находят свое выражение в жалобах на затруд-нение вдоха и/или выдоха, неудовлетворенность вдохом, нехват-ку воздуха, стеснение в груди и т.п. [236]. Степень одышки может варьировать от небольшого затруднения дыхания до невыноси-мого состояния, лишающего возможности говорить. Для ее ко-личественной оценки используют известную шкалу Борга [133] (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Модифицированная шкала Борга для оценки интенсивности одышки

Оценка в баллах Словесная характеристика

0 Неощущаемая

0,5 Очень-очень легкая

1 Очень легкая

2 Легкая

3 Умеренная

4 Немного тяжелая

5 Тяжелая

6

7 Очень тяжелая

8

9 Очень-очень тяжелая

10 Максимальная

Не касаясь одышки, связанной с патологией дыхательной, сердечно-сосудистой или нервной системы, можно обобщить все случаи одышки у здорового человека как состояния, при которых


56

повышена нагрузка на вентиляторный аппарат [295]. К таким состояниям относится гиперпноэ, вызванное тяжелой мышечной работой, – о чем речь впереди – либо увеличенное сопротивление дыханию. К последнему фактору человек чрезвычайно чувствите-лен, поскольку ощущает любое затруднение дыхания как угрозу нормальному осуществлению этой жизненно важной функции [14]. Так, испытуемые оказываются в состоянии обнаружить, казалось бы, ничтожные величины добавочного сопротивления дыханию [466]. Причем самооценка предъявляемой резистивной нагрузки коррелирует с величиной работы дыхания [163]. То же касается самооценки одышки вообще, которая к тому же коли-чественно связана с потреблением кислорода респираторными мышцами [294].

Приведенные наблюдения свидетельствуют о том, что в основе одышки (как, впрочем, и других дыхательных ощущений) лежит афферентация из проприоцепторов дыхательной мускулатуры (прежде всего межреберной), подробнее описанных в предыду-щей главе: рассогласование между сильным напряжением и не-достаточным (из-за увеличенной нагрузки) укорочением мышеч-ного волокна и служит, по-видимому, источником ощущений дыхательного дискомфорта [15]. Определенное значение может иметь также нарушение координации между сокращениями раз-ных групп дыхательных мышц [461]. Спорным остается вопрос о возможной роли утомления респираторной мускулатуры в гене-зе одышки [75].

Поскольку одышка так или иначе связана с нагрузкой на ды-хательные мышцы, то, естественно, она может наблюдаться при увеличении легочной вентиляции, связанном с усилением хемо-рецепторной стимуляции. Показано, однако, что у человека ги-перкапния и гипоксия сами по себе не вызывают сколько-нибудь отчетливых специфических ощущений [7, 10]. Поэтому, надо по-лагать, и в указанных случаях ощущение дыхательного диском-форта обусловлено в конечном счете опять-таки стимуляцией проприоцепторов респираторных мышц, работающих в усилен-ном режиме.

Несомненно, в формирование ощущения одышки вносят свой вклад центральные механизмы [98, 228, 347]. Они опосредуют проекцию афферентов респираторных мышц на мозжечок и кору больших полушарий. Возможно, здесь играет роль также ирра-диация возбуждения из центрального дыхательного механизма


57

на лимбические структуры, которые служат, как известно, суб-стратом тревожных переживаний, в том числе и ощущений «вис-церального» дискомфорта.

Следует заметить, что вообще понятие «одышка» включает в себя весьма существенный психологический компонент. В част-ности, появление одышки и ее интенсивность во многом опреде-ляются предшествующим опытом данного человека [460].

О произвольном управлении дыханием и его ограничениях

Как указывалось выше, произвольными следует считать такие изменения дыхательных движений, которые являются осознан-ными и доступны вербализации, т.е. словесному отчету: напри-мер, «я дышал (старался дышать) так-то» [7, 70]. Из приведенных данных также следует, что, целенаправленно контролируя свое дыхание, человек руководствуется ощущениями, связанными с импульсацией из проприоцепторов респираторных мышц и, воз-можно, механорецепторов легких и воздухоносных путей.

При этом используется «двойное подчинение» респираторных мышц. С одной стороны, эти мышцы, и в первую очередь наиболее автономная из них – диафрагма, управляются ритмической актив-ностью центрального генератора паттерна дыхания в стволе моз-га. С другой же стороны, дыхательные мышцы, преимущественно межреберные, – как и вся скелетная, «произвольная» мускулату-ра – подчиняются командам, исходящим из моторной зоны коры больших полушарий [44]. Эти команды передаются по пирамид-ному пути непосредственно спинальным мотонейронам респи-раторных мышц, произвольные сокращения которых корректи-руются импульсацией из мышечных проприоцепторов и других механорецепторов дыхательной системы. В то же время функция респираторных мышц остается под контролем центрального ды-хательного механизма: он продолжает обеспечивать требуемый объем альвеолярной вентиляции (адекватный уровню газообме-на в организме) в соответствии с афферентными стимулами из хеморецепторов (рис. 3.1). Это накладывает на волевое управ-ление дыханием определенные ограничения (мы рассмотрим их ниже).

В понятие произвольного контроля входит управление всеми параметрами паттерна дыхания: его глубиной, частотой, длитель-ностью инспираторной и экспираторной фаз. Способность произ-вольно регулировать свое дыхание хорошо поддается тренировке.


58

Так, после ряда проб под контролем спирограммы испытуемые могут по памяти воспроизводить заданную глубину дыхания с точностью до 2–3% [7]. Правда, волевое управление дыхатель-ной мускулатурой отличается все же меньшей точностью и требу-ет большей тренировки по сравнению с движениями, осуществля-емыми другими скелетными мышцами, в особенности, например, движениями руки [70], что вытекает из соответствующей специа-лизации последних.

Рис. 3.1. Механизмы произвольного управления дыханием:АВ – альвеолярная вентиляция; ДМ – дыхательные мышцы; ЦДМ – централь-

ный дыхательный механизм; К – команда к произвольному изменению дыхания; Л – легкие; МН ДМ – мотонейроны дыхательных мышц; МР – механорецепторы легких; О – газообмен в организме; ПР – проприоцепторы дыхательных мышц;

ТГ – транспорт газов; ЭР – экстерорецепторы; ХР – хеморецепторы. Пунктирная стрелка – кортикальные (в том числе произвольные) влияния на дыхание; штриховые стрелки – афферентный контроль произвольного

дыхания; сплошные стрелки – афферентный контроль автономнойрегуляции дыхания


59

Неравнозначно и участие, которое принимают в произвольной регуляции дыхания те или иные респираторные мышцы. Соответ-ственно отмеченному выше различию в подконтрольности диа-фрагмы и реберных мышц произвольной сфере, волевое увеличе-ние глубины дыхания осуществляется преимущественно за счет торакального компонента вдоха [71], т.е. функции межреберных мышц, а не диафрагмы как главного, но автономного инспиратора. В тех же случаях, когда человек будто бы управляет сокращения-ми диафрагмы, речь идет скорее всего о произвольном напряже-нии и расслаблении брюшного пресса; диафрагма же вовлекает-ся в эти движения пассивно, за счет колебаний внутрибрюшного давления.

Характерно: если человеку дается задание увеличить частоту дыхания, он непроизвольно углубляет его, а при преднамеренно глубоком дыхании оно становится реже: так автоматически ре-гуляторные механизмы способствуют поддержанию адекватной альвеолярной вентиляции. Замечено также, что, стремясь увели-чить вентиляцию, тахипноики препочитают дышать глубже, бра-дипноики же – чаще, что объясняется неодинаковым соотноше-нием у этих групп эластического и неэластического компонентов сопротивления дыханию (см. гл. 1).

Помимо повседневной жизни, произвольное управление дыха-нием широко используется в некоторых профессиях (пение, игра на духовых инструментах, стеклодувное дело), а также в физиче-ской культуре и спорте (что послужит предметом нашего особого рассмотрения в гл. 8). Поскольку дыхание с древнейших времен связывалось с состоянием духа, волевой контроль этой функции нашел применение в психорегуляции. Так, тренировка к глубо-кому медленному дыханию с удлиненной экспираторной фазой, проводимая с использованием биологической обратной связи (biofeedback), оказалась удобным методом релаксации [128, 165].

Произвольное управление дыханием имеет естественные огра-ничения.

Прежде всего, любое отклонение от естественного паттерна дыхания сопровождается более или менее выраженным ощуще-нием одышки [162]. Неприятные ощущения сопровождают произ-вольную гипервентиляцию. Помимо необычной стимуляции ме-ханорецепторов дыхательной системы, общее состояние человека страдает при этом от гипокапнии вследствие избыточного вымы-вания из крови СО2, проявлением чего является спазм мозговых


60

сосудов с чувством дурноты и головокружения. Предельной вели-чиной, достигаемой в 15-секундной пробе с так называемой мак-симальной вентиляцией легких (МВЛ), является уровень МОД, составляющий у отдельных испытуемых до 220% естественного – 150–200 л/мин. Данный предел обусловлен максимальной эф-фективностю дыхательных мышц (которая, в свою очередь, за-висит от сопротивления дыханию), а также «пропускной способ-ностью» нервных центров, генерирующих командные импульсы, адресованные этим мышцам [7].

Имеет ограничения и произвольная гиповентиляция. Если че-ловек уменьшает свою легочную вентиляцию ниже облигатного уровня, т.е. ниже минимального МОД, обеспечивающего адекват-ный газообмен, развивается гиперкапния и гипоксемия: в крови постепенно растет напряжение двуокиси углерода и падает на-пряжение кислорода. При этом испытуемый жалуется на одышку. В определенный момент наступает точка срыва (breaking point), и человек непроизвольно резко усиливает легочную вентиляцию.

То же происходит при произвольной задержке дыхания (ап-ноэ). Точка срыва – непроизвольные резкие глубокие вдохи с по-следующим восстановлением ритмичного дыхания – достигается обычно через 40–60 с после начала апноэ. К этому моменту рСО2 в альвеолярном газе (а значит, и в артериальной крови) возрастает до 48–50 мм рт. ст., а рО2 падает до 75–60 мм рт. ст. (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Задержка дыхания и точка срыва:а – оксигемограмма (пунктир) и спирограмма; по оси ординат –

шкалы насыщения крови кислородом, %, и дыхательных объемов, л;б – капнограмма; по оси ординат – шкала концентрации СО2, %. Пики на кривой отражают содержание СО2 в альвеолярном газе.

Крестиком отмечена точка срыва. Отметка времени – 30 с


61

Как при волевом снижении легочной вентиляции, так и при полной ее задержке причиной срыва и выхода дыхания из-под произвольного контроля служит развитие императивного стиму-ла [7, 12]. В основе этого стимула лежит усиленное возбуждение артериальных и бульбарных хеморецепторов, главным образом вследствие развития гиперкапнии, в меньшей степени – гипоксе-мии. Поэтому, естественно, предварительная гипервентиляция легких, ведущая прежде всего к резкому снижению артериального рСО2

, отдаляет развитие императивного стимула и позволяет уд-линить период апноэ. Как известно, таким приемом широко поль-зуются ныряльщики.

Однако выяснилось, что в механизме императивного стимула дыхания участвуют, помимо хеморецепторов, также механоре-цепторы, реагирующие на растяжение и спадение легких, а также проприоцепторы респираторных мышц. Так, произвольное апноэ, начатое на фазе вдоха, длится дольше, чем начатое на выдохе; этот эффект настолько значим, что его нельзя отнести только на счет разницы в запасе воздуха в легких. Более того, задержку дыха-ния удается продлить, если непосредственно перед наступлением срыва проделать «дыхательные» движения при закрытой голосо-вой щели.

Исследования позволили разделить период максимальной (до наступления срыва) задержки дыхания на две фазы. Во время первой фазы – а она не сопровождается какими-либо дыхатель-ными ощущениями – человек волевым усилием тормозит ритми-ческую эфферентную стимуляцию, генерируемую центральным дыхательным механизмом, и тем самым противостоит нарастаю-щей стимуляции хеморецепторов. Когда же эта стимуляция до-стигает некоего критического уровня, начинается вторая фаза: сильнейшее возбуждение центрального дыхательного механизма выводит его из-под контроля произвольной сферы, и у человека появляется позыв к возобновлению дыхательных движений. Та-кой позыв, по-видимому, обусловлен начавшимися непроизволь-ными сокращениями респираторных мышц, что подтверждается появлением их ритмической электрической активности. Во вре-мя данной фазы волевые усилия направляются на закрытие го-лосовой щели, чтобы не допустить прохождения воздуха через верхние дыхательные пути. С другой стороны, сигнализация из рецепторов перенапряженных (вследствие возникшего препят-ствия) респираторных мышц ощущается как резкий дыхательный


62

дискомфорт и приводит в определенный момент к срыву апноэ и восстановлению легочной вентиляции [54, 70].

В свете сказанного становится понятным, почему максималь-ная мышечная релаксация, достигаемая с помощью аутогенной тренировки, увеличивает длительность первой фазы произволь-ной задержки дыхания на 25% [73]: здесь мы имеем дело, оче-видно, с торможением проприоцепторного звена императивного стимула дыхания. Вообще, как и всякий маневр произвольного характера, максимальная задержка дыхания подвержена трени-ровке и в заметной степени зависит от мотивации испытуемого [18]. Описаны случаи произвольного апноэ длительностью 5 мин и даже более.

* * *Высшая, самая «человеческая» форма регуляции дыхания –

произвольный (волевой) контроль – позволяет управлять дыха-тельными движениями в связи с локомоторной, позотонической и речевой активностью. В условиях эксперимента это выражает-ся в способности испытуемых точно регулировать все параметры паттерна дыхания.

С другой стороны, возможность произвольно управлять ды-ханием жестко ограничена механизмами, которые предотвраща-ют нарушение важнейшей функции респираторной системы – ее участия в поддержании гомеостаза внутренней среды орга-низма.

Как было показано, действие этих механизмов проявляется в двух случаях:

– при увеличении нагрузки на респираторные мышцы вслед-ствие гиперпноэ или повышенного сопротивления дыханию;

– при таких волевых изменениях дыхания, которые сопровож-даются уменьшением легочной вентиляции ниже облигатного уровня либо ее приостановкой.

В обоих случаях первичным сигналом служит обычно усилен-ная импульсация из хеморецепторов вследствие сдвигов газового состава и рН крови и цереброспинальной жидкости, а человек ощу-щает дыхательный дискомфорт, обусловленный главным образом афферентацией из проприоцепторов респираторных мышц. Такой дискомфорт носит характер одышки. При резком же возбуждении хеморецепторов возникает императивный стимул, выводящий дыхание из-под произвольного контроля. Взаимодействие рас-смотренных механизмов схематически обобщено на рис. 3.3.


63

Рис

. 3.3

. Мех

аниз

мы

, огр

анич

иваю

щие

про

изво

льны

й ко

нтро

ль д

ыха

ния,

на

прим

ере

оды

шки

при

уве

личе

нном

со

прот

ивле

нии

дыха

нию

, а т

акж

е ра

звит

ия и

мпе

рат

ивно

го с

тим

ула

в хо

де з

адер

жки

ды

хани

я:Д

войн

ым

и ст

релк

ами

пока

заны

вли

яния

, игр

ающ

ие в

едущ

ую р

оль

в ды

хате

льно

й се

нсор

ике


64

Таким образом, функция дыхания человека, точнее, респира-торная мускулатура, вполне доступна произвольному управлению благодаря высокой кортикализации соответствующих регулятор-ных механизмов и отчетливой «ощущаемости» дыхания. Вместе с тем данная функция надежно защищена от такого вмешательства произвольной сферы, которое может воспрепятствовать выполне-нию дыхательной системой ее важнейшей роли в поддержании гомеостаза – и тем самым угрожать нормальной жизнедеятель-ности организма.


65

IIЧАСТЬ

ДЫХАНИЕ ПРИ МЫШЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ ЧЕЛОВЕКА


66

Поскольку основным источником энергии при жизнедеятель-ности человека служат процессы биологического окисления, то работоспособность в условиях мышечной активности нераз-рывно связана с функцией дыхания. При мышечной работе моби-лизуются все регуляторные механизмы, призванные стимулиро-вать увеличение легочной вентиляции в ответ на энергетический запрос работы, где легочная вентиляция служит первым звеном в процессе доставки кислорода к работающим мышцам и послед-ним – в процессе выведения из организма продуктов окисления – двуокиси углерода. Попутно усиленная легочная вентиляция, так называемое рабочее гиперпное, способствует отдаче вовне образующегося при мышечной работе тепла.

С этой точки зрения изучение функций легочного дыхания при мышечной активности представляется одним из наиболее до-ступных и в то же время достаточно точным способом отслежи-вания изменений в сфере энергетического обмена, позволяющим диагностировать состояние здоровья и физической работоспособ-ности человека.


67

ГЛАВА 4

Тканевое дыхание и транспорт газов в организме человека при мышечной деятельности

Термином «дыхание» в физиологии человека и животных при-нято обозначать два различных по своей биологической природе и функциональному назначению процесса. Первый из них объе-диняет в себе совокупность биохимических превращений в клет-ках и тканях живого организма, связанных с окислением пищевых веществ с участием кислорода. Большинство из этих биохимиче-ских превращений осуществляется в митохондриях – внутрикле-точных органеллах, специально сконструированных природой для эффективного улавливания и утилизации свободной энергии окислительных процессов в форме электрохимического потенци-ала клеточных мембран или в форме макроэргических фосфатных связей аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Совокупность этих процессов, идущих с потреблением кислорода в клетках и тканях живого организма, обычно обозначается как тканевое (внутриклеточное), или митохондриальное, дыхание.

Другим процессом, обозначаемым тем же термином, является легочная респирация, обеспечивающая газообмен организма чело-века и животных с окружающей средой (атмосферой). По своему назначению осуществляемая вентиляция легких должна обеспечи-вать поступление в организм необходимого количества кислорода и выделение вовне эквивалентных количеств CO2, образующейся в ходе метаболической активности клеток и тканей организма. Эти процессы обычно рассматриваются как внешнее, или легочное, дыхание. В норме между процессами тканевого и легочного ды-хания существует тесное сопряжение. Любые изменения в уров-не внутриклеточного обмена веществ, отражающиеся в скорости


68

утилизации O2 и выделения CO2, так же как и сопутствующие им изменения кислотно-щелочного равновесия во внутренних средах организма, служат теми сигналами, под влиянием которых проис-ходит активация респираторной деятельности легких.

4.1. Сопряжение функций внешнего и тканевого дыхания

Строгое сопряжение функций внешнего и тканевого дыхания достигается за счет транспорта газов с кровью при участии кардио-васкулярной системы как промежуточного звена между процес-сами внутриклеточного и легочного дыхания. Общая схема взаи-модействия систем внешнего и тканевого дыхания представлена на рис. 4.1, заимствованном из известного руководства К. Вассер-мана с сотр. «О принципах проведения тестов с физическими на-грузками и интерпретации результатов физиологических измере-ний в этих тестах» [432]. На приведенной схеме функциональные блоки сопряжения тканевого и внешнего дыхания представлены в виде системы синхронно обращающихся шестерней, при помощи которых осуществляется транспорт газов из внешней среды к ра-ботающим мышцам. Любое сколь-либо значительное возрастание скорости утилизации O2 работающими мышцами (Q·

О2) достига-

ется за счет увеличивающейся экстракции O2 из крови, перфузи-рующей эти мышцы, а также за счет дилятации периферического васкулярного ложа, увеличения сердечной производительности (произведение систолического объема на частоту сердечных сокра-щений), увеличения кровотока в легочных капиллярах и, наконец, за счет увеличения вентиляции легких. Увеличение потребления O2 в легочных альвеолах (V·

О2) происходит в точном соответствии

с возрастанием легочного кровотока и степени десатурации гемо-глобина в легочной капиллярной крови. В устойчивом состоянии V·

O2 = Q·O2

. Уровень вентиляции легких (произведение дыхательно-го объема VT на частоту дыхания f) увеличивается в зависимости от возрастания скорости образования CO2 в процессе «рабочего» метаболизма мышц. Образующийся в тканях CO2 поступает в лег-кие путем артериального транспорта при заметных сдвигах концен-трации водородных ионов. Скорость выделения СО2 с выдыхаемым воздухом в легких определяется следующим уравнением: V·

CO2 = V·

А . рАCO2

/ рB, (4.1)где V·

CO2 – минутный объем выделяемого CO2, V·

А – минутный объем альвеолярной вентиляции, рACO2

– напряжение CO2 в аль-веолярном воздухе, рB – барометрическое давление.


69

Рис. 4.1. Схема сопряжения между функциями тканевого дыхания, системы кровообращения и легочной респирации в организме человека

(по К. Вассерману с сотр. [432]; пояснения в тексте)

Изображенные на рис. 4.1 шестерни одинакового размера не означают строгого равенства газовых потоков в каждом из со-прягающихся компонентов функциональной цепи вегетативного обеспечения энергетического обмена в организме. Так, например, увеличение сердечной производительности относительно мало за-висит от быстро изменяющегося уровня клеточного метаболизма. Не столь тесное сопряжение этих функций обусловлено быстро изменяющейся скоростью экстракции O2 из притекающей к мыш-цам капиллярной крови и постепенным выходом образующейся CO2 из работающих мышц в кровь. В то же время при относитель-но умеренной работе минутный объем легочной вентиляции уве-личивается в точной пропорции к тому количеству CO2, которое поступает в легкие с венозным возвратом. Увеличение степени метаболического ацидоза при тяжелой и напряженной мышечной работе ускоряет возрастание уровня легочной вентиляции с тем, чтобы обеспечить респираторную компенсацию метаболического ацидоза.

4.2. Биоэнергетика мышечной деятельности. Роль аэробного ресинтеза АТФ

Исполнение разнообразных физиологических функций, при-сущих живому организму, происходит за счет высвобождения энергии, аккумулированной в молекулах аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая под действием специфических АТФаз преобразуется в полезную работу [83, 304].


70

В процессе мышечной активности преобразование свободной энергии АТФ в механическую работу происходит в цикле «об-разования – разрыва» поперечных мостиков между миозиновы-ми и актиновыми нитями в миофибриллах мышечных волокон (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Генерация силы в цикле «образования – разрыва» поперечных мостиков между миозиновыми и актиновыми нитями

в миофибриллах мышечных волокон

При завершении каждого цикла «образования – разрыва» по-перечных мостиков под воздействием миозиновой АТФазы одна молекула АТФ расщепляется, обеспечивая генерацию одного «кванта» мышечной силы. Суммарная величина силы, гене-рируемой мышцей, прямо пропорциональна длине саркомера и общему содержанию актина в мышце (рис. 4.3). Произведение длины саркомера на общее содержание актина определяет общее число поперечных мостиков, образованных между миозиновыми


71

и актиновыми нитями, и, следовательно, общее количество мо-лекул АТФ, расщепляющихся при сокращениях на единицу мы-шечной массы [249]. Общая мощность мышечных усилий при исполнении любых сколь-либо интенсивных упражнений про-порциональна уровню суммарной АТФазной активности в рабо-тающих мышцах, т.е. скорости расщепления АТФ, приходящейся на единицу веса мышечной массы (рис. 4.4).

Рис. 4.3. Зависимость максимальной мышечной силы от длины саркомера и содержания белка актина в скелетных мышцах человека

Рис. 4.4. Зависимость максимальной мощности, развиваемой в процессе мышечного сокращения, от величины суммарной АТФазной

активности миофибрилл


72

Для осуществления непрерывно повторяющихся циклов «образования – разрыва» поперечных мостиков между миозино-выми и актиновыми нитями концентрация АТФ в мышце должна поддерживаться на относительно постоянном уровне в пределах от 2 до 5 мМ [29].

При высоких значениях концентрации АТФ в мышцах мо-жет возникнуть состояние «субстратного угнетения» миозино-вой АТФазы. В этом состоянии молекулы АТФ присоединяются к центрам АТФазной активности на миозиновых нитях, но не рас-щепляются ими. Мышца при данном состоянии приобретает вы-сокую пластичность, легко подвержена растяжению, но не способ-на к активному сокращению и развитию напряжения [338]. При низких значениях концентрации АТФ в мышцах резко снижается уровень активности «кальциевого насоса», локализованного в пу-зырьках саркоплазматического ретикулума и контролирующего образование поперечных мостиков между актиновыми и миози-новыми нитями в миофибриллах [193]. Мостики замыкаются, но не рвутся из-за отсутствия свободных молекул АТФ, способных вызвать диссоциацию актомиозинового комплекса [301, 467]. Мышца впадает в состояние стойкого ригора. Чтобы избежать этих двух критических состояний, ограничивающих нормальную сократительную активность мышц, общая скорость расщепления АТФ при мышечных усилиях должна быть точно уравновешена со скоростью ее ресинтеза в одновременно протекающих биохи-мических превращениях запасенных или поступающих в мыш-цы органических субстратов. Восполнение запасов АТФ обычно происходит в процессах аэробного и анаэробного окисления при реакциях окислительного фосфорилирования и в ходе реакций перефосфорилирования с участием макроэргических фосфорных соединений, образующихся на промежуточных этапах анаэробно-го распада углеводов или окислительной деградации углеводов и жиров в цикле трикарбоновых кислот. Общая схема, иллю-стрирующая взаимодействие всех этих процессов, участвующих в биоэнергетическом обеспечении работы мышц, представлена на рис. 4.5.

В верхней части представленной схемы обозначен блок АТФазных реакций, которые обеспечивают исполнение физио-логических функций в сокращающихся мышцах за счет энергии гидролитического расщепления АТФ. Основными функциями, при которых используется энергия АТФ при мышечной актив-


73

Рис. 4.5. Схема взаимосвязей в системе внутриклеточного энергетического обмена:

Составляющие субсистемы: специфические АТФазы, фосфагенный пул, гликолиз, цитоплазменная и митохондриальная редокс-системы, цикл Кребса,

окислительное фосфорилирование. В форме эллипсов выделены внутриклеточные пулы наиболее значимых реактантов.

Знаками, обозначенными буквой Т, указаны транслоказные ферментные системы, локализованные на клеточных мембранах.

Сплошные линии представляют внутриклеточные метаболические потоки, пунктирные – информационные потоки


74

ности, помимо генерации силы в циклах «образования – разры-ва» поперечных мостиков являются также процессы, обеспечи-вающие работу «кальциевого насоса» в пузырьках саркоплазма-тического ретикулума и проведение электрических импульсов от наружной мембраны к сократительным элементам мышечного волокна, и, кроме того, метаболическая активность транслоказ-ных белковых комплексов, контролирующих поступление и кон-центрирование различных субстратов в саркоплазме и митохон-дриях мышечных клеток [67]. В период отдыха после завершения мышечной работы сохраняющийся повышенный уровень ути-лизации АТФ связан с ресинтезом использованных при выпол-нении упражнения макроэргических соединений (АТФ+КрФ) и процессами усилившегося протеиносинтеза, а также с восста-новлением нарушенного работой кислотно-щелочного и электро-литного равновесия в организме [146].

На схеме ниже блока АТФазных реакций расположен блок фосфагенов – макроэргических фосфатных соединений, к кото-рым помимо АТФ и АДФ относятся также креатинфосфат (КрФ), дифосфоглицериновая кислота (ДФГ), фосфоенолпировиноград-ная кислота (ФЕП) и гуанозинтрифосфат (ГТФ), акцентирующий энергию окислительных реакций в цикле трикарбоновых кислот.

Среди вышеуказанных макроэргических фосфорных соеди-нений центральное место в системе внутриклеточного энергети-ческого обмена занимают АТФ и КрФ, часто объединяющиеся под названием «фосфагенный», или «алактатный анаэробный», источник энергии [316]. Строго говоря, эти макроэргические со-единения не являются первичным источником энергии; в системе внутриклеточного энергетического обмена они выполняют роль промежуточных переносчиков макроэргических фосфатов (~Р), в которых аккумулируется свободная энергия окислительных процессов.

В клетках живого организма практически все реакции переноса макроэргических фосфатных групп осуществляются путем про-межуточного образования АТФ, которая выполняет роль общего посредника в этих реакциях переноса. Все известные фосфотранс-феразные системы клетки и ферменты, действующие в составе внутриклеточных преобразователей энергии, специфическим об-разом ориентированы на использование в качестве субстрата и ак-цептора переносимых фосфатных групп молекулы АТФ.

Молекулярное строение и химические свойства АТФ как нель-зя лучше соответствуют ее функции промежуточного аккумулято-


75

Рис. 4.6. Схема переноса фосфатных группировок от высокоэнергетических доноров фосфата к низкоэнергетическим акцепторам с участием АТФ

ра и переносчика энергии. Молекула АТФ состоит из органическо-го основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, из которых две конечные пирофосфатные группы явля-ются макроэргическими. При образовании АТФ в процессах, со-пряженных с биологическим окислением, должна быть затраче-на энергия, достаточная для создания необходимого потенциала переноса группы. В физиологических условиях эта величина, как уже указывалось, составляет 42 кДж/моль, но в действительности она сильно варьирует в зависимости от температуры, давления, рН и концентраций реагентов, которые могут заметно различаться в разных отделах клетки. Для известных концентраций реагентов в саркоплазме мышечных клеток величина свободной энергии гидролиза АТФ составляет около 40 кДж/моль, а в митохондриях, где в основном образуется АТФ, – около 60 кДж/моль.

Направление реакций ферментативного переноса макроэрги-ческой фосфатной группы зависит от положения соединений на шкале термодинамического потенциала. АТФ, находясь в середи-не этой шкалы, может при помощи специфических фосфотранс-фераз осуществлять перенос макроэргических фосфатных групп от соединений с более высоким потенциалом к соединениям с более низким потенциалом переноса фосфатных групп (рис. 4.6).


76

Именно этим обстоятельством и обусловлена уникальная роль АТФ как универсального энергетического эквивалента, объеди-няющего все взаимопревращения энергии в живом организме.

Как уже отмечалось, общие запасы АТФ в мышцах строго ограничены, в скелетных мышцах человека они составляют около 8 мМ. При отсутствии иных источников энергии за счет исполь-зования этих запасов АТФ возможно выполнить 4–6 одиночных сокращений с максимальной силой или удерживать максималь-ное изометрическое усилие в течение 1–2 с, поэтому для обес-печения непрерывной работы мышц в течение сколь-либо дли-тельного времени необходимы дополнительные резервы энергии. В мышцах таким резервуаром макроэргических фосфатных групп, своего рода «энергетическим буфером» служит креатинфосфат.

Обладая более высоким, чем АТФ, потенциалом переноса фос-фатной группы, креатинфосфат способен переносить ее на АДФ, способствуя регенерации АТФ:

КФК АДФ + креатинфосфат + Н+ → ← АТФ + креатин. (4.2)

Эта реакция, катализируемая ферментом креатинфосфоки-назой (КФК), легко обратима. В покое, когда АТФ образуется в больших количествах, чем потребляется, она идет в направле-нии синтеза креатинфосфата. Во время работы, однако, высокая скорость расхода АТФ способствует сдвигу равновесия киназной реакции в направлении распада креатинфосфата, что позволяет поддерживать постоянную концентрацию АТФ в мышце и удо-влетворять энергетические потребности в течение некоторого промежутка времени.

При выполнении упражнений умеренной интенсивности кон-центрация креатинфосфата в работающих мышцах уменьшает-ся до некоторого постоянного уровня, который поддерживается вплоть до завершения работы. Основным фактором, вызываю-щим снижение содержания креатинфосфата в мышцах, являет-ся увеличение концентрации АДФ в результате гидролиза АТФ. Увеличение концентрации АДФ в мышце служит сигналом для усиления процессов окислительного фосфорилирования и воз-растания уровня потребления О2 при работе, поэтому концентра-ция креатинфосфата в мышцах при достигаемом стационарном уровне находится в обратной зависимости от мощности выпол-няемого упражнения [379]. Несмотря на заметное снижение об-


77

щих запасов креатинфосфата при выполнении мышечных упраж-нений и соответствующего увеличения в мышцах свободного креатина, общее количество креатина (креатинфосфат + креатин) в мышцах остается неизменным. После завершения работы содер-жание креатинфосфата быстро восстанавливается со скоростью, которой соответствует значение «половинного времени» около 30 с [235, 316].

Помимо выполнения функции «энергетического буфера», под-держивающего постоянство АТФ при мышечной работе, система креатинфосфокиназной реакции (креатинфосфат → креатин) выполняет и ряд других функций [224]. Прежде всего система «КрФ+Кр» обеспечивает сохранение в мышцах необходимого со-отношения концентраций АТФ и АДФ [383], во-вторых, эта си-стема контролирует скорость реакций окислительного фосфори-лирования, осуществляемых в митохондриях работающих мышц [237, 374, 425], в-третьих, эта система служит основным внутри-мышечным буфером, связывающим «избыточные» количества Н+, образующиеся в ходе совершающихся метаболических про-цессов [379], и, в-четвертых, эта система продуцирует свободный креатин, выполняющий в мышцах функцию эндогенного стиму-лятора генной активности и усиления процессов протеиносинтеза [423, 455].

Скорость ресинтеза АТФ в креатинфосфокиназной реакции, идущей в прямом направлении, т.е. при переносе макроэргиче-ской фосфатной группы от креатинфосфата на АДФ, зависит не только от концентрации свободных молекул АДФ, находящихся вблизи от сокращающихся миофибрилл, но также от концентра-ции креатинфосфата и Н+ [383]. При определенном уровне АДФ любое уменьшение содержания креатинфосфата в мышцах будет сопровожаться снижением скорости ресинтеза АТФ в прямой КрФ-киназной реакции, но и увеличивать скорость обратной ре-акции, ведущей к образованию креатинфосфата [47]. Максималь-ная скорость прямой КрФ-киназной реакции будет уменьшаться вместе со снижением содержания креатинфосфата в мышечной клетке, и в этих условиях она будет лимитировать скорость ресин-теза АТФ в процессе работы и определять уровень развиваемой мощности вплоть до полного исчерпания запасов креатинфосфа-та [379]. Такую ситуацию иллюстрируют данные, приведенные на рис. 4.7. Из этих данных следует, что при низких значениях величины отношения «КрФ / свободный креатин» потребуется


78

увеличить концентрацию свободных молекул АДФ в клетке. Расчеты на приводимой кинетической модели показывают, что в условиях выполнения упражнений с высокой интенсивностью при низких значениях отношения «КрФ/креатин» концентрация свободных молекул АДФ может превышать 0,7 мМ, что в 35 раз выше концентрации АДФ в покоящейся мышце (0,02 мМ).

Наибольшие количества фермента КрФ-киназы находятся в саркоплазме мышечных клеток в составе миофибрилл, сарко-леммы и саркоплазматического ретикулума. Внутриклеточная локализация КрФ-киназы играет важную роль в осуществле-нии контроля над соотношением «АТФ/АДФ» в работающих мышцах [383]. Установлено также, что скорость ресинтеза АТФ

Рис. 4.7. Изменение скорости ресинтеза АТФ в КрФ-киназной реакции в процессе мышечной работы (по К. Сахлину [379]):

1 – в состоянии покоя скорость кругооборота АТФ находится в точном равновесии со скоростью КрФ-киназной реакции;

2 – в начале интенсивного упражнения повышение скорости гидролиза АТФ и увеличение концентрации АДФ в саркоплазме мышц стимулирует

образование АТФ в КрФ-киназной реакции;3 – при выполнении упражнения в устойчивом состоянии, когда концентрация КрФ в мышечных волокнах снижается до значения 15 мМ, концентрация АДФ увеличивается до 200 мкМ, с тем чтобы поддерживать необходимую скорость

ресинтеза АТФ в КрФ-киназной реакции;4 – при развития утомления в процессе упражнения концентрация КрФ

в мышцах снижается до 10 мМ, и в этом случае концентрация АДФ увеличивается до 400 мкМ и более, с тем чтобы поддерживать необходимую

скорость ресинтеза АТФ


79

в ходе КрФ-киназной реакции играет важную роль в осуществле-нии функций «кальциевого насоса», локализованного в пузырь-ках саркоплазматического ретикулума скелетных мышц [468]. Определенные количества КрФ-киназы, помимо ее цитоплазма-тических форм, локализуются также в межмембранном простран-стве митохондрий, где они функционируют в системе энерго-транспортного шунта, сопрягающего процессы окислительного фосфорилирования с гидролизом АТФ и распадом КрФ в мио-фибриллах (рис. 4.8) [383].

Рис. 4.8. Схема энерготранспортного шунта с участием КрФ, изоферментных форм КрФ-киназы, локализованных в саркоплазме и на митохондриальной мембране, а также адениннуклеотидной

транслоказы, которая обеспечивает сопряжение реакции гидролиза АТФ в миофибриллах работающих мышц и ее ресинтеза в процессе

митохондриального дыхания (по В. Саксу [383])

Использование АТФ в качестве непосредственного источника энергии для выполнения мышечной работы зависит от ряда фак-торов, среди которых наибольшее значение имеет интенсивность выполняемого упражнения [261]. Скорость кругооборота АТФ в скелетных мышцах человека в состоянии покоя составляет от 0,4 до 0,7 мМ/мин [327, 332, 379, 418]. При исполнении упражнения

МКФК – миофибриллярная

креатинфосфокиназа

ANT – адениннуклеотидная

транслоказа

MiKФК – митохондриальная

креатинфосфокиназа


80

с максимальной мощностью (педалирование на велоэргометре в течение 10 с) скорость оборота АТФ может увеличиться до 300 мМ/мин, т.е. более чем в 400 раз [130, 379]. Cкорость круго-оборота АТФ при мышечной работе заметно различается в зависи-мости от типа выполняемого упражнения (изометрического или концентрического) и от задаваемой мощности при избранном типе упражнения. В быстрых мышечных волокнах гликолитического и смешанного типа (IIа и IIв) скорость кругооборота АТФ в 3–4 раза выше, чем в медленных волокнах окислительного типа (тип I) [342, 403]. Помимо типа выполняемого упражнения, его интенсивности и состава мышечных волокон, вовлекаемых в ра-боту, на скорость кругооборота АТФ заметное влияние оказы-вают такие факторы, как изменение температуры мышц, эффек-тивность их работы и степень утомления, развивающегося при выполнении упражнения [384, 403].

Для количественной оценки изменений в системе адениловых макроэргических соединений Д. Аткинсоном [109] было пред-ложено использовать показатель энергетического заряда (ener-gy charge, EC). Система адениловых макроэргов наряду с АДФ и АТФ включает также АМФ. Сумму этих компонентов в клетке (АМФ + АДФ + АТФ) следует рассматривать как постоянную ве-личину. В каждый определенный момент энергетический статус клетки будет зависеть от относительной концентрации каждого из указанных трех компонентов. Когда вся система представлена в форме АТФ, клетка находится в максимально высоком энер-гетическом состоянии; если же система адениловых макроэргов представлена исключительно в форме АМФ, клетка лишена бо-гатых энергией субстратов и находится в низшем энергетическом состоянии. Энергетический заряд при заданных концентрациях АМФ, АДФ и АТФ определяется следующим выражением:

АТФ + 0,5АДФ ЕС = . (4.3) АТФ + АДФ + АМФ

Максимальное значение ЕС достигается, когда вся аденилат-ная система представлена АТФ (ЕС равен 1), а минимальное – когда единственным компонентом этой системы является АМФ (ЕС равен нулю).

Активность большинства ферментов, выполняющих ведущую роль как в катаболических, так и в анаболических процессах, зави-сит от концентраций АТФ, АДФ и АМФ, которые действуют как


81

положительные или отрицательные эффекторы, и соответственно ускоряют или замедляют действие ферментов [332]. Функциони-рование метаболических систем, где образуются и используют-ся макроэргические фосфаты, регулируется в соответствии с ЕС (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Влияние величины энергетического заряда (ЕС) на скорость ферментативных процессов, приводящих к распаду и ресинтезу АТФ.

ЕС служит мерой заряженности адениловой системы высокоэнергетическими фосфатными связями. В мышечной клетке величина ЕС поддерживается в пределах от 0,7 до 0,9. В этом диапазоне любое изменение ЕС приводит к значительным изменениям скорости энергопреобразующих процессов

Точке пересечения кривых на рис. 4.9 соответствует состояние энергетического обмена, при котором скорость образования АТФ равна скорости ее утилизации. Когда ЕС превышает это значение, скорость функционирования систем, генерирующих АТФ, за-медляется в результате ингибирования регуляторных ферментов. Одновременно с этим происходит усиление процессов, идущих с потреблением АТФ. Когда величина ЕС понижается, активация регуляторных ферментов способствует его повышению. Таким образом система адениловых макроэргов осуществляет регуля-цию процессов, ответственных за поставку и утилизацию энергии в живом организме, и обеспечивает поддержание оптимального уровня функционирования, при котором достигаются наимень-шие затраты энергии.

Источником энергии, используемым для поддержания равно-весия в системе адениловых макроэргов при мышечной рабо-те, служат процессы аэробного и анаэробного окисления, проис-

1 – скорость ресинтеза АТФ2 – скорость гидролитического распада АТФ


82

ходящие в саркоплазме и в митохондриях мышечных клеток. На рис. 4.5 процессы аэробного окисления представлены блоком митохондриального дыхания, в котором выделены три составляю-щих компонента – цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), митохон-дриальная редокс-система, отражающая соотношение между окис-ленными и восстановленными реактантами в межмембранном и матриксном отсеках митохондрий, и система окислительного фосфорилирования, продуцирующая АТФ при переносе электро-нов по дыхательной цепи на внутренней мембране митохондрий. Процессы анаэробного окисления представлены на схеме блоком анаэробного гликолиза, способного генерировать АТФ при недо-статке кислорода в работающих мышцах. В результате процессов анаэробного окисления, совершающихся в ходе гликолиза, обра-зуется молочная кислота и происходят выраженные сдвиги в со-стоянии цитозольной окислительно-восстановительной системы.

В ходе процессов биологического окисления происходит пере-нос электронов от окисляемого вещества (донора электронов) к восстанавливаемому веществу (акцептору электронов). В про-цессе окисления перенос электронов происходит по направлению от вещества с более отрицательным значением окислительно-восстановительного потенциала (Е) к веществу с более положи-тельным потенциалом. Электроны при отрицательных величинах Е являются «высокоэнергетическими», находящимися на более высоком энергетическом уровне в молекуле донора (восстановите-ля). При переходе к молекуле акцептора (окислителя) с более вы-соким значением Е они теряют часть своей энергии, перемещаясь на низкоэнергетическую орбиту, где они сильнее притягиваются к ядрам атомов. Энергия, освобождающаяся при переносе элек-тронов (свободная энергия), способна произвести работу, и эта энергия зависит от разности окислительно-восстановительных потенциалов реагирующих веществ.

В большинстве реакций биологического окисления в качестве конечного акцептора электронов служит кислород. В этом случае имеет место аэробный (оксидативный), или дыхательный, тип энергетики. Вместе с тем в клетке происходят окислительные ре-акции, где акцепторами электронов служит не кислород, а какие-либо другие вещества. Такие реакции относятся к анаэробному типу энергетики [64, 83].

Когда вся энергия окислительных реакций выделяется исклю-чительно в виде тепла, имеет место так называемое свободное окис-ление. В процессах свободного окисления, где происходит прямое


83

взаимодействие молекул окисляемого субстрата (углеводов, жи-ров и т.п.) с кислородом, выделяется значительное количество энергии, которое не может быть использовано для выполнения полезной работы и рассеивается в виде тепла. Когда энергия окис-лительных реакций используется для одновременно происходя-щих процессов образования веществ с высоким энергетическим потенциалом или для создания высокоэнергетических состояний на клеточных мембранах (генерация электрохимического потен-циала), имеет место сопряженное окисление [84].

Сопряженное окисление – ведущее звено во всех изученных к настоящему времени биологических преобразователях энер-гии. Только через систему сопряженных реакций осуществляется передача энергии к преобразующим устройствам живой клетки, ориентированным на выполнение определенного вида биологиче-ской работы.

Сопряженное окисление, как правило, начинается с реакций дегидрогенирования (отщепления водорода) окисляемого суб-страта с последующим переносом водорода на кислород при уча-стии промежуточных переносчиков, относящихся к ферментному классу оксидоредуктаз. Многоступенчатый характер окислитель-ных процессов в живой клетке обеспечивает постепенное освобож-дение энергии, которая может быть в дальнейшем использована в реакциях, связанных с выполнением различных видов биологи-ческой работы. Постепенное освобождение энергии уменьшает ее рассеивание и предохраняет клетку от разрушительного воздей-ствия тепловой энергии, которая при непосредственном взаимо-действии окисляемого субстрата с кислородом освободилась бы одномоментно.

В митохондриях мышечных клеток перенос водорода на кисло-род осуществляется через ряд окислительно-восстановительных ферментных комплексов, расположенных на внутренней мем-бране митохондрий в строгой последовательности в соот-ветствии со значением их окислительно-восстановительного потенциала (рис. 4.10). Такая последовательность окислительно-восстановительных превращений на митохондриальной мембра-не, связанных с переносом водорода на кислород при участии специфических переносчиков электронов, обозначается как ды-хательная, или электронпереносящая, цепь.

В дыхательной цепи митохондрий выделено несколько фер-ментных комплексов, различающихся по набору индивидуальных ферментов и по выполняемым функциям (рис. 4.11).


84

Рис

. 4.1

0. С

хем

а ра

спол

ожен

ия п

ерен

осчи

ков

элек

тро

нов

в ды

хат

ельн

ой ц

епи

мит

охон

дрий


85

Рис. 4.11. Организация электронтранспортных ферментных комплексов и АТФ-синтетазы на внутренней мембране митохондрий:

I–V – ферментные комплексы

Обычно выделяют пять ферментных комплексов, которые обо-значают римскими цифрами:

комплекс I – НАД·Н-убихинон-оксидоредуктаза; комплекс II – сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза; комплекс III – убихинон – цитохром с – оксидоредуктаза; комплекс IV – цитохром с – оксидаза; комплекс V – АТФ-синтетаза, способная образовывать АТФ

за счет энергии, освобождающейся при переносе электронов по дыхательной цепи.


86

Ферментные комплексы I, III и IV функционируют как зави-сящие от электронного транспорта протонные помпы, которые в присутствии комплекса V осуществляют синтез АТФ, сопряжен-ный с окислением на соответствующем участке дыхательной цепи. Комплекс II катализирует окисление сукцината (янтарной кисло-ты) убихиноном. Каждый комплекс включает в себя несколько индивидуальных ферментов, как правило, не менее пяти, часть которых несет на себе кофакторы, способные к переносу электро-нов. Между указанными ферментными комплексами электроны переносятся с помощью подвижных переносчиков – убихинона и цитохрома с. Двигаясь диффузно через липидный слой мембра-ны, убихинон связывает между собой комплексы I и III, а также II и III. Цитохром с выполняет аналогичную «челночную» функцию на участке между ферментными комплексами III и IV, диффунди-руя вдоль поверхности митохондриальной мембраны.

Таким образом на внутренней мембране митохондрий суще-ствует высокоупорядоченная структура, где каждый фермент-ный комплекс встроен между двумя другими ферментными ком-плексами, служащими для него восстановителем и окислителем. В результате такого расположения на мембране встроенных в нее окислительно-восстановительных комплексов создаются условия для потока электронов от окисляемого субстрата через систему переносчиков на кислород. При такой организации электрон-транспортной цепи активные центры НАД·Н+-дегидрогеназы и сукцинатдегидрогеназы располагаются на внутренней мем-бране митохондрий со стороны матрикса, так же как и центр для О2, закрепленный на цитохромоксидазе. Цитохром с кон-центрируется на наружной стороне мембраны, а убихинон – в ее липидной фазе. АТФ-синтетазный комплекс расположен на внутренней стороне мембраны и ориентирован внутрь матрик-са. При прохождении через АТФ-синтетазный комплекс двух протонов внутрь митохондрий одна молекула АДФ соединяет-ся с неорганическим фосфатом, образуя одну молекулу АТФ. Соединяясь в составе внутренней мембраны митохондрий, все описанные выше ферментные комплексы действуют как единый дыхательный ансамбль, способный осуществлять перенос элект-ронов от окисляемого субстрата на кислород с одновременным синтезом АТФ. Общая картина функционирования дыхатель-ного ансамбля в митохондриях скелетных мышц представлена на рис. 4.12.


87

Рис. 4.12. Дыхательный ансамбль в митохондриях скелетных мышц (принципиальная схема)

Дыхательные ансамбли равномерно распределены на плоско-сти внутренней мембраны митохондрий. В каждой отдельной ми-тохондрии их может насчитываться от 5 до 20 тыс., причем тем больше, чем выше дыхательная активность тестируемого орга-на или ткани. Так, в митохондриях сердца их насчитывается до 20 тыс., а в митохондриях печени – только 5 тыс. [64].

Сопряжение энергопотребляющих процессов с окислительны-ми реакциями, происходящими в митохондриях и саркоплазме мышечных клеток с высвобождением свободной энергии, которая используется при сократительной активности мышц, осуществля-ется с помощью особых молекулярных механизмов, способных улавливать и переносить энергию потока высокоэнергетических электронов.

Известны два различных способа энергетического сопряже-ния, которые по-разному используются в энергопреобразующей деятельности системы анаэробного гликолиза и митохондриаль-


88

ного дыхания. При первом из них, обозначаемом как химическое сопряжение, энергия окисления используется для перестройки структуры электронных орбит двух взаимодействующих моле-кул, что приводит к образованию между ними макроэргической, насыщенной энергией, связи*. На рис. 4.13 окисление субстрата (А) при участии соответствующего акцептора водорода (Б) при-водит к освобождению энергии, которая используется для акти-вации некоторого первичного макроэргического соединения ~Х, что условно обозначается как переход Х → ~X. Примером подобной реакции может служить анаэробное окисление фосфоглицераль-дегида, осуществляемое специфической дегидрогеназой с участи-ем кофермента НАД. Как правило, первично возникающие в ходе реакций химического сопряжения макроэргические соединения отличаются высокой нестабильностью в водной среде. Они легко подвергаются гидролизу, что ведет к рассеиванию энергии окис-ления в виде тепла, поэтому для того, чтобы сохранить энергию и использовать ее в процессах, идущих с потреблением энергии, первично возникшая макроэргическая связь должна быть перене-сена на молекулу соединения, обладающего достаточно высокой устойчивостью в водной среде. Обычно в роли такого акцептора выступает молекула фосфорной кислоты, концентрация которой в клетке достаточно высока. Акцентирование первично возникшей макроэргической связи на фосфате придает стабильность термо-динамически неустойчивым молекулам и обусловливает возмож-ность дальнейших их превращений при участии специфических

* К категории макроэргических относятся химические связи, свободная энергия гидролиза которых составляет не менее 21 кДж/моль. Наличие в молекуле биооргани-ческого соединения макроэргической связи обозначается символом «~».

Рис. 4.13. Схема химического сопряжения реакции окисления и синтеза АТФ


89

ферментов. В большинстве случаев макроэргические фосфорные соединения при участии ферментов фосфотрансфераз переносят ~Р на молекулу АДФ, выполняющую в клетке роль универсаль-ного акцептора высокоэнергетического фосфата, стабилизирую-щего пул адениловых макроэргов.

Образование макроэргических соединений путем химическо-го сопряжения характерно лишь для процессов первичного окис-ления, которые осуществляются отдельными ферментами или многоферментными комплексами в цитоплазме клетки. В про-цессах терминального окисления, связанных с переносом водоро-да на кислород по дыхательной цепи митохондрий, используется способ хемиосмотического сопряжения. Он реализуется на спе-циализированных мембранных структурах, в составе которых на-ходятся все необходимые ферменты, сопрягающие терминальное окисление с образованием АТФ [85].

Митохондриальная мембрана непроницаема для большинства катионов, в том числе для протонов. Это свойство мембраны обу-словливает возможность преобразования химической энергии окислительных реакций в осмотическую энергию неравномерно-го распределения заряженных частиц по обе стороны мембраны. Переносчики дыхательной цепи, располагаясь асимметрично на мембране, способны не только акцентировать водород от окисляе-мых субстратов, но и транспортировать его в поперечном направ-лении через мембрану (рис. 4.14). Достигая наружного слоя мем-браны, переносчик освобождает в водное пространство снаружи

Рис. 4.14. Схема хемиосмотического сопряжения в дыхательной цепи митохондрий


90

от мембраны протоны, а электроны при участии других перенос-чиков направляются обратно к внутреннему слою мембраны, где они встречаются с очередным акцептором водорода, ионизируют его, в результате чего из внутреннего пространства потребляются протоны. Таким образом, при переносе каждой пары электронов между соседними компонентами дыхательной цепи происходит выталкивание протонов из внутреннего пространства митохон-дрий в наружное через мембрану. В результате такого перерас-пределения электрических зарядов растворимая фаза на одной стороне мембраны оказывается заряженной отрицательно и ще-лочной – в ней накапливаются в избытке гидроксильные анионы (ОН–). Наружная фаза по другую сторону мембраны будет за-ряжена положительно и станет более кислой. Возникает протон-ный градиент, в форме которого на замкнутой митохондриальной мембране происходит концентрация энергии.

Свободная энергия окислительного транспорта электронов, накапливающаяся в форме протонного градиента, имеет два ком-понента. Одним из них является разница в концентрации про-тонов на противоположных сторонах мембраны (осмотический компонент). Концентрация протонов измеряется в единицах рН, поэтому энергия этого компонента обусловлена разницей рН по обе стороны митохондриальной мембраны и не зависит от абсо-лютной величины рН. Второй компонент энергии протонного по-тенциала – электрический заряд, который возникает на мембране в результате перераспределения протонов. Само движение заря-дов через мембрану создает разницу в электрическом потенциале, а возникающее при этом электростатическое поле действует на все заряженные частицы. Общая энергия протонного потенциала суммирует в себе энергию осмотического и электрического ком-понентов.

Энергия протонного градиента аналогична запасам потенци-альной энергии воды, накапливаемой против гравитационного градиента, в резервуар, находящийся наверху. При направле-нии протонного тока через мембрану по градиенту накопленная энергия может быть использована для осуществления различ-ных трансмембранных процессов, требующих затрат энергии, в частности для концентрирования отдельных видов молекул во внутренней фазе, для выведения веществ наружу из митохондри-альной среды, для синтеза макроэргических соединений (АТФ) и т.п.


91

Сопряжение обратного перехода протонов через митохонд-риальную мембрану с синтезом АТФ осуществляется за счет действующего в ее составе особого ферментного комплекса, обо-значаемого как протонная АТФаза, или АТФ-синтетаза. Этот ферментный комплекс состоит из двух компонентов. Один из них представлен мембранным белком (F0 на рис. 4.14), образующим протонпроводящий канал, по которому протоны с наружной сто-роны мембраны направляются внутрь митохондрий. Направле-ние и силу этому потоку протонов придают отрицательный заряд, поддерживающийся во внутренней фазе митохондрий, и разность в концентрациях протонов по обе стороны мембраны. Второй ком-понент ферментного комплекса является собственно АТФазой (на рис. 4.14 – F1). Этот белок «запирает» протонпроводящий канал с внутренней стороны мембраны. Протоны, двигаясь по прово-дящему каналу в белке F0, достигают активного центра АТФ-синтетазы на белке F1, локализованном на внутренней стороне мембраны, и активизируют его. Из внутренней среды митохон-дрий под воздействием электрического поля, создаваемого про-тонным градиентом, к центру АТФ-синтетазы поступают АДФ и неорганический фосфат, которые связываются с ферментом и подвергаются дегидрогенированию (отщепление водорода). От молекулы фосфата отщепляется гидроксильный ион, а от моле-кулы АДФ – протон, который связывается с избыточным ОН– во внутренней среде митохондрий с образованием воды. Активиро-ванные путем дегидрогенирования фосфат и АДФ взаимодей-ствуют между собой на активном центре фермента с образовани-ем АТФ.

Этой последовательности реакций соответствуют следующие уравнения:

АДФ + Фн → АДФ– + ОФ–н + 2Н+,

АДФ– + ОФ–н + 2Н+ → АТФ + Н2О

АДФ + Фн + 2Н+(снаружи)

→ АТФ + Н2О + 2Н+(внутри).

(4.4)

Действие протонной АТФазы обратимо. Синтез АТФ путем переноса протонов внутрь митохондрий через АТФ-синтетазный комплекс происходит только в том случае, когда величина про-тондвижущей силы, генерируемой при переносе электронов по дыхательной цепи, будет превышать протондвижущую силу, которая могла бы быть достигнута в результате гидролиза АТФ при данных условиях. При уменьшении величины протонного


92

потенциала на мембране АТФазе будет выгоднее расщеплять АТФ и перемещать протоны из внутренней фазы во внешнюю, создавая этим протонный потенциал за счет энергии расщепле-ния АТФ. Как и все ферменты, протонная АТФаза контролирует только скорость реакции, а направление этой реакции определяет-ся изменением свободной энергии в системе. Перенос электронов по дыхательной цепи не может происходить, если вблизи сопря-гающей мембраны отсутствуют АДФ и Фн, при взаимодействии которых образуется АТФ. Если на внутренней стороне мембраны АТФ будет в избытке, а АДФ и Фн в недостаточном количестве, то обратимая АТФаза будет работать для поддержания протонного давления снаружи. Перенос электронов в этой ситуации не будет происходить, так как окислительно-восстановительные превра-щения в дыхательной цепи происходят только при одновремен-ном переносе протонов через мембрану. Если перенос протонов тормозится из-за создания высокой концентрации Н+ на внешней стороне мембраны за счет АТФазной активности, то вместе с этим затормозится и перенос электронов по дыхательной цепи, поэто-му для сопряжения окисления с синтезом АТФ необходимо под-держание определенного протонного градиента на сопрягающей мембране.

Когда синтез АТФ происходит путем химического сопряже-ния с окислительным процессом, имеет место так называемое субстратное фосфорилирование. Синтез АТФ путем хемиосмо-тического сопряжения с окислительными реакциями в дыхатель-ной цепи принято обозначать как окислительное фосфорилирова-ние. Как было показано выше, механизмы, приводящие к синтезу АТФ, в процессах субстратного и окислительного фосфорилиро-вания существенно различаются. Субстратное фосфорилирова-ние нуждается лишь в соответствующих ферментах, субстратах и кофакторах, и оно не связано с какими-либо высокоорганизо-ванными внутриклеточными структурами. Большинство реак-ций субстратного фосфорилирования происходит в раствори-мой фракции клетки, и в этих реакциях роль донора электронов выполняет соответствующий органический субстрат, который находится либо в свободном состоянии, либо связан с функцио-нальной группой окислительного фермента. Реализация процесса окислительного фосфорилирования возможна только на специ-ализированных внутриклеточных мембранах, где ферменты ды-хательной цепи строго фиксированы по отношению друг к другу


93

и проявляют высокое сродство к другим мембранным компонен-там – фосфолипидам [85].

Субстратное и окислительное фосфорилирование характери-зуется разной степенью сопряженности между реакциями, иду-щими с освобождением и накоплением энергии. При субстратном фосфорилировании окисление тесно связано с образованием пер-вичного макроэргического соединения. При окислительном фос-форилировании окисление в дыхательной цепи непосредственно не связано с синтезом АТФ; оно первоначально используется для образования протонного потенциала, который в дальнейшем при-водит к синтезу АТФ. Поскольку энергия протонного потенциа-ла может затрачиваться и на другие виды биологической работы, синтез АТФ не является единственным и обязательным следстви-ем окисления. Перенос электронов по дыхательной цепи может происходить и без образования АТФ (разобщенное окисление). В отличие от энергии протонного потенциала, которая может быть непосредственно преобразована в другие виды биологической ра-боты, энергия субстратного фосфорилирования используется для выполнения клеточных функций только в форме АТФ.

Синтез АТФ на сопрягающей мембране является следствием тесного взаимодействия двух протонных насосов: протонного насоса в дыхательной цепи, который приводится в действие по-током электронов, и протонного насоса мембранной АТФазы, приводимого в действие энергией распада АТФ. В этом случае возникновение протонного градиента на мембране при переносе электронов по дыхательной цепи следует рассматривать в каче-стве первичного насоса, а мембранную АТФазу – как вторичный насос, работающий за счет энергии, генерируемой первичным на-сосом. Действуя обратно первичному насосу, мембранная АТФаза стремится уменьшить протонный градиент, образующийся при переносе электронов, и этим способствует изменению скорости синтеза АТФ.

Общая схема, суммирующая современные представления о процессах окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи, представлена на рис. 4.15. Из приведенной схемы видно, что при переносе водорода на кислород каждая пара электронов, акцентируемых от субстрата, трижды пересекает мембрану туда и обратно и каждый раз при этом выводит два протона. Первый переход совершается через восстановленный флавинмононуклео-тид (ФМН·Н2). Вернувшись на внутреннюю сторону мембраны


94

с помощью железосерных белковых переносчиков, электроны переходят на молекулу убихинона (К0Q), каждая из которых при этом захватывает протон из внутренней среды митохондрий, об-разуя гидрохинон (QH+). С его помощью электроны вновь выхо-дят наружу и возвращаются снова к внутреннему слою мембраны при участии цитохромов. Здесь на внутренней стороне мембраны электроны восстанавливают еще одну пару молекул убихинона и мигрируют наружу в третий раз. Они снова возвращаются на внутренний слой мембраны через систему цитохромов (с1, с, а и а3) и, соединяясь с кислородом на цитохромоксидазном ком-плексе, ионизируют его. Доставляемый к тканям кислород взаи-модействует с двумя протонами из межмембранного простран-ства митохондрий, образуя воду.

Рис. 4.15. Последовательность реакций окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи

На каждом участке дыхательной цепи, где изменение окислительно-восстановительного потенциала оказывается до-статочным для генерации необходимой протондвижущей силы (этому соответствует ∆Е ≈ 0,25 В), может синтезироваться АТФ.


95

На приводимой схеме указаны три участка дыхательной цепи, где осуществляется синтез АТФ в ходе реакций окислительного фос-форилирования: между НАД·Н и К0Q·Н2 (∆Е ≈ 0,3 В), между К0Q и цитохромом с1 (∆Е ≈ 0,21 В) и между цитохромом а и цитохро-мом а3 (∆Е ≈ 0,53 В). Общая разница потенциалов между НАД·Н и кислородом составляет около 1,2 В, а суммарный электронный ток на митохондриальной мембране в состоянии покоя достига-ет 100 А, так что общая мощность аэробного потока энергии бу-дет равна 120 В. Всего в дыхательной цепи при переносе водо-рода на кислород освобождается энергия около 210 кДж/моль. Из этого количества преобразуется в форме 3 молей АТФ около 120 кДж/моль. Это означает, что эффективность аэробного пре-образования энергии в митохондриях скелетных мышц в норме составляет не более 55,5%.

Скорость синтеза АТФ в процессе окислительного фосфори-лирования контролируется величиной протонного градиента, который генерируется за счет дыхательной активности. АТФ на сопрягающей мембране не образуется до тех пор, пока разница в рН не достигнет значения около 1,4. При меньших значениях рН протоны, проходящие через участок АТФ-синтетазной ак-тивности, будут обладать недостаточной энергией, чтобы запу-стить реакцию образования АТФ на митохондриальной мембране (рис. 4.16).

В норме процессы окисления и фосфорилирования, осуществ-ляющиеся на внутренней мембране митохондрий, тесно сопря-

Рис. 4.16. Изменение скорости реакции окислительного фосфорилирования в зависимости от значений протонного потенциала

на внутренней мембране митохондрий


96

жены между собой. Однако увеличение протонной проводимости мембраны или изменение активности ее АТФазных комплексов могут вызвать разобщение между окислением и фосфорилирова-нием. Существует целый ряд соединений, действующих как спе-цифические разобщители и заметно понижающих эффективность окислительного фосфорилирования в тканях. К числу таких со-единений относятся антибиотики, динатрофенол, гормон щито-видной железы тироксин, ненасыщенные жирные кислоты и т.п. В частности, разобщающее действие ненасыщенных жирных кис-лот вызвано тем, что, включаясь в состав липидных компонентов митохондриальной мембраны, они делают ее менее упорядочен-ной; мембрана становится проницаемой для протонов, и образова-ние протонного градиента при переносе электронов по дыхатель-ной цепи становится невозможным.

Эффективность окислительного фосфорилирования умень-шается также в тех случаях, когда одновременно с сопряженным окислением в митохондриях активизируются процессы свобод-ного окисления. Так, в митохондриях печени и скелетных мышц наряду с фосфорилирующим окислением, происходящим на внутренней мембране, обнаружен также внешний путь окисления [84], связанный с рядом ферментных систем, локализованных на наружной мембране и в межмембранном пространстве (рис. 4.17).

При этом процессе часть общего потока электронов от НАД·Н направляется через флавопротеид ФП5 к цитохрому b5, располо-женному на внешней мембране. Цитохром с, циркулирующий в межмембранном пространстве митохондрий, акцентирует электроны от цитохрома b5 и переносит их на цитохромоксидаз-ный комплекс на внутренней мембране. Включение внешнего пути, как и чисто химическое разобщение, ведет к рассеиванию энергии окисления в форме тепла.

Внешний путь окисления НАД·Н в митохондриях использует-ся как дополнительный механизм, регулирующий взаимодействие различных метаболических процессов, совершающихся в цито-плазме и митохондриях работающих мышечных волокон. Так, в частности, он способен устранять избыток субстратов окисления независимо от реакций фосфорилирования, но с использованием основных дегидрогеназных и цитохромоксидазных мощностей дыхательной цепи в митохондриях. При значительной актива-ции анаэробного гликолиза в напряженно работающих мыш-цах за счет активации свободного окисления на внешней мем-


97

бране митохондрий поддерживается необходимое соотношение НАД+/НАД·Н в саркоплазме мышечных волокон и устраняются избытки образующейся молочной кислоты [86, 145, 408].

Энергия протонного потенциала, как уже отмечалось, может быть использована не только для ресинтеза АТФ в процессе мы-шечной деятельности, но и для выполнения осмотической работы по концентрированию веществ в митохондриях. Отвлечение энер-гии протонного потенциала на выполнение такой работы снижа-ет эффективность процесса окислительного фосфорилирования. Характерным примером использования энергии протонного по-тенциала для осмотической работы может служить обмен АТФ, АДФ и неорганического фосфата между цитоплазмой и митохон-дриальным матриксом. Синтез АТФ за счет энергии протонного потенциала на внутренней мембране митохондрий происходит только в том случае, если в матриксе поддерживается высокая

Рис. 4.17. Схема, иллюстрирующая участие энерготранспортного челнокав доставке АТФ, образующейся в дыхательной цепи митохондрий,

к местам ее потребления в саркоплазме мышечной клетки


98

концентрация реагентов (АДФ и фосфата) и низкая концентра-ция продукта, т.е. АТФ. Это означает, что в процессе окислитель-ного фосфорилирования АДФ и неорганический фосфат должны поступать из цитоплазмы внутрь митохондрий, а АТФ с той же скоростью выводиться наружу. Такой обмен субстратов и продук-тов в реакциях окислительного фосфорилирования осуществля-ет особый белок – переносчик, локализованный на внутренней мембране митохондрий и обозначаемый как транслоказа адени-ловых нуклеотидов. Этот белок производит обмен внутримито-хондриальной АТФ на внемитохондриальную АДФ по принципу встречного движения, включающего чистый перенос заряда через мембрану за счет энергии протонного потенциала. Энергия прото-нов, переносимых через мембрану, составляет около 22 кДж/моль. Следовательно, общие затраты на синтез и перенос трех мо-лекул АТФ из митохондрий в цитоплазму должны составить 3×22=66 кДж/моль, т.е. примерно треть всей энергии, предна-значаемой на экспорт для внемитохондриальных потребителей, в действительности идет на концентрирование АДФ и неоргани-ческого фосфата внутри митохондрий и откачку синтезируемой АТФ из митохондрий в цитоплазму.

Чтобы избежать этих непроизводительных затрат энергии на транспорт АТФ, в мышечных волокнах используется особый механизм энерготранспортного челнока [383] с участием двух изоферментных форм КФК, локализованных на миофибриллах и в межмембранном пространстве митохондрий, креатинфосфата и свободного креатина (см. рис. 4.8).

Первым звеном в этом механизме является перенос АТФ из митохондриального матрикса в межмембранное пространство под действием транслоказы, расположенной на внутренней мем-бране митохондрий. АТФ, доставляемая из матрикса в межмем-бранное пространство, вступает во взаимодействие с креатином, проникающим через наружную митохондриальную мембрану из саркоплазмы. Эта реакция катализируется митохондриальной КФК, расположенной на наружной мембране митохондрий или в межмембранном пространстве. Образующийся креатинфосфат вновь переходит в саркоплазму, где он становится доступным дей-ствию миофибриллярной КФК. АДФ возвращается в матрикс и принимает участие в реакциях окислительного фосфорилиро-вания, сопряженных с переносом электронов по дыхательной цепи.


99

Среди причин, снижающих эффективность процесса окисли-тельного фосфорилирования в тканях, следует особо отметить роль так называемого перекисного окисления, связанного с уча-стием высокоактивных радикальных форм кислорода [86, 278]. При ионизации доставляемого к митохондриям кислорода на цитохромоксидазном конце дыхательной цепи далеко не все ло-кализованные молекулы кислорода сразу же вступают во взаимо-действие с протоном из межмембранного пространства, часть из них преобразуется в иные радикальные формы. Так, в частности, при неферментативном одноэлектронном восстановлении мо-лекулы кислорода при взаимодействии с коферментом Q (К0Q) образуется анион-радикал супероксида О2

–. В ходе дальнейшей реакции дисмутации супероксид-анион преобразуется в перекись водорода (Н2О2). Эта реакция в митохондриях ускоряется под воздействием специфического фермента – супероксиддисмутазы [278]. Перекись водорода, восстанавливаясь, образует гидроксил-радикал ОН

. (рис. 4.18). Окислительно-восстановительный по-

тенциал в системе ОН.+Н+/Н2О составляет около +1,35 В, что

Рис. 4.18. Реакции перекисного окисления в процессе митохондриального дыхания:

В левой части схемы представлены реакции основного пути восстановления кислорода, связанного с образованием АТФ; в правой части – реакции

одноэлектронного неферментативного восстановления кислорода с участием К0Q– и некоторых иных донаторов электронов.

Поперечными линиями обозначены участки цепи реакции перекисного окисления, воздействием на которые можно предотвратить образование

радикальных форм кислорода


100

придает ОН. чрезвычайно высокую реакционную способность.

Он способен вступать во взаимодействие и окислять с высокой скоростью практически любые соединения, находящиеся в живой клетке, включая ДНК и ферментные блоки. Хотя в обычных фи-зиологических условиях общая скорость образования радикаль-ных форм кислорода не превышает 4–5% суммарной скорости окислительных процессов в дыхательной цепи митохондрий, но и в указанных количествах накопленные радикальные соедине-ния способны вызвать существенные нарушения функциональ-ных свойств в работающих мышцах и снижение их механической производительности [278].

Чем выше уровень окислительной активности в митохондриях мышечных клеток, тем больше вероятность возникновения сво-боднорадикальных форм кислорода и развития цепных реакций перекисного окисления. При этом следует учитывать, что кисло-род в мышечных клетках способен акцентировать электроны при неферментативном восстановлении не только от дыхательной цепи митохондрий, но и с неменьшей вероятностью от окисляе-мых интермедиатов при анаэробном распаде углеводов [142, 168]. Общая окислительная активность мышечных волокон зависит от количества митохондрий, приходящихся на единицу объема тка-ни, и от особенностей их функционального устройства [66, 176, 248]. Число митохондрий в мышечных волокнах определенного типа относительно постоянно, но оно может изменяться на раз-ных стадиях их развития и при изменении уровня функциональ-ной активности. Так, число митохондрий в мышечных волокнах аэробного и смешанного типа под воздействием специализиро-ванной тренировки заметно увеличивается, заполняя все про-странство между миофибриллами [176, 256]. В активно функ-ционирующих волокнах митохондрии обычно располагаются в непосредственной близости от структур, где энергия АТФ ис-пользуется для выполнения механической работы, или в цито-плазме вблизи внутримышечных субстратных резервов – капелек жира или скопления гранул гикогена [64, 113]. На долю мито-хондрий в мышечных волокнах аэробного типа приходится от 3 до 10% общего объема саркоплазмы, а при направленной трени-ровке, развивающей аэробные способности, еще больше [58, 199, 325].

Хотя форма и размеры митохондрий сильно варьируют в за-висимости от типа мышечных волокон, все они имеют весьма


101

сходный план строения. Митохондрии отграничены от окружаю-щей цитоплазмы оболочкой, состоящей из двух многопротеидных мембран. Наружная мембрана с гладкой поверхностью отделяет внутреннее пространство митохондрий от внешней среды. Внут-ренняя мембрана, в отличие от наружной, имеет большое число внутренних складок, называемых кристами (рис. 4.19). Количе-ство крист увеличивается с увеличением окислительной актив-ности митохондрий. Между наружной и внутренней мембраной

Рис. 4.19. Расположение ферментных комплексов дыхательной цепи на наружной и внутренней мембранах митохондрии:

1 – наружная митохондриальная мембрана; 2 – внутренняя митохондриальная мембрана; 3 – кристы; 4 – межмембранное пространство; 5 – сферические

головки АТФ-синтетазного комплекса


102

находится межмембранное пространство. Окруженное внутрен-ней мембраной пространство митохондрий заполнено желеобраз-ным раствором, содержащим около 50% белков. Эта внутримито-хондриальная фаза получила название матрикс.

Наружная мембрана митохондрий легко проницаема для большинства растворимых низкомолекулярных соединений, в частности, для аминокислот, АТФ, сахарозы, креатина и ин-термедиаторов окислительного обмена. Высокая проницаемость наружной мембраны связана с наличием в ней особых «туннель-ных» белков с широкими порами. В ней также находятся фермен-ты, активизирующие жирные кислоты и катализирующие обмен фосфолипидов и аминокислот.

Внутренняя мембрана митохондрий имеет значительно боль-шую поверхность, чем внешняя, за счет многочисленных крист, которые впячиваются внутрь матрикса. Внутренняя мембрана содержит 20% липидов и 80% белков, обладающих различной функциональной активностью. Примерно 25% этих белков состав-ляют ферменты дыхательной цепи и окислительного фосфорили-рования. По своему составу эта мембрана сходна с бактериальной. Некоторые ученые объясняют это сходство тем обстоятельством, что на ранних этапах зарождения жизни на Земле произошло вживление бактерий с их сформировавшимся мембранным аппа-ратом в состав живой клетки.

Внутренняя мембрана митохондрий практически непроница-ема для большинства молекул, содержащихся в цитоплазме, че-рез нее могут диффундировать лишь очень небольшие молекулы с массой менее 100 Да. Однако в составе внутренней мембраны имеются транспортные белки, осуществляющие направленный перенос таких веществ, как фосфат, АДФ, АТФ, аминокислоты, жирные кислоты, ди- и трикарбоновые кислоты, а также некото-рых неорганических ионов, например Са2+.

На внутренней поверхности крист и мембраны, обращенной в сторону матрикса, ровными рядами расположены элементарные частицы АТФ-синтетазного комплекса, имеющие сферическую головку, соединенную с мембраной тонкой ножкой (рис. 4.20). Cферическая головка элементарных частиц состоит из раство-римого белка, который катализирует реакцию, обратную синтезу АТФ, т.е. является АТФазой. Основание ножки элементарной ча-стицы составляют белки комплекса F0, которые выполняют функ-цию протонпроводящего канала к АТФазе.


103

Рис. 4.20. Строение элементарных частиц, расположенных на внутренней мембране митохондрий

Ферменты дыхательного комплекса, участвующие в транс-порте электронов, вместе с разделяющими их липидными про-слойками составляют основу внутренней мембраны митохон-дрий. Помимо этих белков в состав внутренней мембраны входят периферические белки, представленные различными дегидро-геназами, которые окисляют субстраты, находящиеся в матрик-се, и передают выделенный при этом водород в дыхательную цепь.

В пространстве между наружной и внутренней мембраной на-ходятся растворимые ферменты, осуществляющие реакции фос-форилирования (аденилаткиназа, креатинфосфокиназа).

В матриксе митохондрий содержится большое количество бел-ков, в том числе ферментов, катализирующих реакции расщепле-ния окисляемых субстратов (ферменты ЦТК и цикла β-окисления жирных кислот), а также резервные количества АДФ, АТФ, НАД, НАДФ и К0А, отделяемые от цитоплазматических запасов этих веществ наружной митохондриальной мембраной. В центральной зоне матрикса происходят реакции окислительного декарбокси-лирования кетокислот, а также процессы синтеза белков, РНК и ДНК. Молекулы ДНК, составляющие митохондриальный ге-ном, осуществляют контроль над синтезом РНК и некоторых ми-тохондриальных белков, в частности, цитохрома b и белков цито-хромоксидазного комплекса.


104

Обычно митохондрии, отличающиеся высокой интенсивно-стью биосинтетических процессов (например, митохондрии пече-ни), богаты матриксами и бедны кристами, а митохондрии, спе-циализирующиеся на выработке энергии, например в мышечных волокнах аэробного типа, относительно бедны матриксом и плот-но заполнены кристами. В этих митохондриях отмечается высо-кая концентрация ферментов оксидазного комплекса, таких как цитохромы, дегидрогеназы и ферменты ЦТК и цикла β-окисления жирных кислот, цитохромоксидаза. Концентрация этих фермен-тов в митохондриях заметно увеличивается под влиянием трени-ровки, направленной на развитие аэробных качеств [223].

При усилении функциональной активности транспорт АТФ от места ее синтеза на внутренней мембране митохондрий к местам потребления в цитоплазме осуществляется путем обычной, или обменной, диффузии, происходящей посредством энерготранс-портного челнока с участием быстро перемещающихся молекул свободного креатина (см. рис. 4.8). И хотя расстояния внутри клетки необычайно малы, для диффузионного обмена макроэрги-ческих переносчиков требуется определенное время. Чтобы уско-рить поставку энергии к местам ее потребления в миофибриллах, отдельные митохондрии в мышечных волокнах аэробного типа, соединяясь между собой, образуют единую внутриклеточную сеть – митохондриальный ретикулум, который связывает воедино источники энергии и сократительную систему миофибрилл [113]. Это значительно облегчает ситуацию в работающих мышцах, где из-за огромных размеров клетки и наличия в цитоплазме плотно упакованных сократительных элементов диффузия АТФ и окис-ляемых субстратов сильно затруднена.

Для поддержания высокой скорости окислительных превраще-ний в дыхательной цепи митохондрий системы общеорганизмен-ного и внутриклеточного транспорта кислорода должны обеспе-чить непрерывную поставку О2 в цитоплазматическую область, контактирующую с наружной митохондриальной мембраной со скоростью, соответствующей скорости аэробного ресинтеза АТФ [51, 76, 248].

В скелетных мышцах человека скорость потребления О2 в цитохромоксидазном комплексе зависит от состояния системы окислительного фосфорилирования в широкой области изменя-ющихся значений ресинтеза АТФ [248, 465]. Скорость ресинте-за АТФ, связанная с изменениями рО2 в клетке, непосредственно


105

сказывается на степени насыщения кислородом цитохромокси-дазы – конечного комплекса в дыхательной цепи митохондрий. Это состояние цитохромоксидазного комплекса зависит также от скорости переноса электронов и общей скорости кругооборота веществ в системе митохондриального дыхания [66, 157]. При не-достаточной поставке О2 в ткани первые сколь-либо выраженные изменения в дыхательной цепи, как правило, обнаруживаются не на терминальном цитохромном участке дыхательной цепи, а в ее начальном звене в пределах первого ферментного комплекса, где происходит акцентирование водорода от окисляемых субстратов. Здесь при уменьшении скорости доставки О2 к митохондриям вначале происходит усиление, а затем подавление активности НАДН-оксидазного пути, приводящее к нарушению переноса электронов по дыхательной цепи и снижению скорости реакций окислительного фосфорилирования [65]. При увеличении тя-жести и длительности физических нагрузок обнаруживающиеся нарушения электронтранспортной функции в дыхательной цепи постепенно переходят от субстратного к цитохромному участку. В широкой области изменений рО2 в клетке активность цитохром-оксидазы не является лимитирующим звеном до тех пор, пока на-пряжение О2 не упадет до значений порядка 0,1–0,5 мм рт. ст. [169, 213, 465]. Это обстоятельство обусловлено низким значением Км для цитохромоксидазной реакции, от чего зависит ее высокое сродство к кислороду. Часто обнаруживаемое снижение актив-ности цитохромоксидазы при сравнительно высоких значениях рО2 в клетке может происходить из-за ограничений поступления электронов от субстратного комплекса через участок цитохромов b и c. Cледовательно, в некоторой области, где отмечается сниже-ние значений рО2

, оно может быть компенсировано за счет изме-нений в редокс-состоянии и в состоянии окислительного фосфо-рилирования, сохраняя скорость кругооборота АТФ неизменной. Вне этой области компенсация за счет изменения рО2 приобретает решающее значение для контроля за скоростью ресинтеза АТФ [169]. Абсолютные значения рО2 в области достигаемой компенса-ции являются функцией от максимальной скорости реакций, при которой действуют ферментные системы дыхательного комплек-са в митохондриях. Это означает, что максимальная скорость по-требления О2 в митохондриях скелетных мышц находится в пря-мой зависимости от свойств цитохромоксидазной ферментной системы, завершающей путь переноса электронов на кисло-


106

род. Тем не менее из-за действия гомеостатических механизмов, стремящихся минимизировать резкие изменения внутриклеточ-ного рО2

, а также из-за наличия больших резервов конвекцион-ного и диффузионного транспорта О2 значительные отклонения от нормы ipО2 и apО2 не обязательно сопровождаются такими же изменениями внутриклеточного pО2

, чтобы стать лимити-рующими для системы окислительного фосфорилирования в митохондриях [214]. Общая картина изменений скорости АТФ-синтезирующих реакций в зависимости от значений внут-риклеточного рО2

представлена на рис. 4.21.Изменения, обнаруживающиеся в скорости окислительного

ресинтеза АТФ при снижении внутриклеточного рО2, происходят

в несколько стадий. Каждая из этих стадий может быть иденти-фицирована по изменениям рО2 в определенной области наблюда-

Рис. 4.21. Изменение скорости ресинтеза АТФ в аэробном и анаэробном процессах в зависимости от внутриклеточного напряжения кислорода


107

емых сдвигов в скорости кругооборота АТФ [169, 457, 462]. Так, в частности, при переходе от умеренной к предельно напряжен-ной работе выделяются следующие стадии:

– стадия кислородного насыщения, когда, несмотря на значи-тельное снижение рО2

в клетке, не отмечается каких-либо откло-нений в скорости окислительного ресинтеза АТФ в митохондри-ях работающих мышц;

– стадия метаболической адаптации, где, несмотря на обнару-живающееся снижение рО2

, сохраняются необходимые соотноше-ния в редокс-состоянии и состоянии окислительного фосфорили-рования при неизменной скорости потребления О2 и кругооборота АТФ в тканях;

– стадия анаэробной метаболической компенсации, где сохра-няются неповрежденными основные клеточные функции и ско-рость окислительного ресинтеза АТФ в митохондриях изменяет-ся вместе со снижением рО2

, но общая скорость кругооборота АТФ в клетке и механическая производительность мышц остаются не-изменными, поскольку анаэробный ресинтез АТФ в процессе гли-колиза полностью компенсирует снижение активности цитохро-мов, зависимое от поставки кислорода в ткани;

– стадия АТФ-лимитируемых функций (декомпенсированная кислородная недостаточность), где имеют место значительные повреждения клеточных функций и скорость кругооборота АТФ линейно снижается вместе со снижением рО2 в клетке.

Первая стадия – кислородного насыщения – связана с акти-вацией НАД-зависимого пути окисления в митохондриях. Ста-дия метаболической адаптации, где поддерживается неизменной скорость окислительного ресинтеза АТФ, характеризуется по-степенно развивающейся инактивацией НАД-зависимого пути окисления и усилением скорости окислительных реакций на сукцинатдегидрогеназном участке дыхательной цепи. Третья ста-дия – анаэробной метаболической компенсации – характеризу-ется подавлением электронтранспортной функции дыхательной цепи в области цитохромов b и c. На четвертой стадии – АТФ-лимитируемых функций – происходит резкое падение окисли-тельной активности на цитохромоксидазном участке дыхатель-ной цепи и отмечается линейное снижение скорости ресинтеза АТФ вместе со снижением рО2 в клетке.

Выделяемые четыре стадии в изменениях скорости круго-оборота АТФ при мышечной активности разделяются тремя


108

пороговыми значениями рО2, для которых характерны опреде-

ленные значения скорости ресинтеза АТФ, или уровня общего О2-запроса. На рис. 4.21 пороговое значение рО2

, разделяющее стадии кислородного насыщения и метаболической адаптации, локализуется на уровне около 50% значения максимальной ско-рости окислительного ресинтеза АТФ. При этом значении рО2 в клетке окислительные возможности дыхательной цепи оказы-ваются неспособными полностью обеспечить необходимую ско-рость кругооборота АТФ. В действительности этот порог пред-ставлен семейством кривых, которые изменяют свое положение в зависимости от природы окисляемого субстрата, размеров ис-пользуемого метаболического пула для этих субстратов, состоя-ния системы окислительного фосфорилирования и значения рН в клетке. Адаптация к снижению рО2 в клетке при заданной скоро-сти кругооборота АТФ и состояния фосфатных макроэргов тре-бует увеличения вклада редокс-компонента как движущей силы, определяющей скорость потребления О2. На изменение митохон-дриального редокс-состояния в этой области оказывают одновре-менное влияние как цикл трикарбоновых кислот, так и цитозоль-ная система гликолиза.

Второй порог, которому на рис. 4.21 соответствуют значения рО2 в клетке, ниже которых текущий уровень потребления О2 в митохондриях лимитируется скоростью поставки О2 в ткани, означает наименьшее значение рО2

, которое еще может рассматри-ваться как нормальное. Это критическое значение рО2 напрямую зависит от скорости поставки О2, и оно обычно отождествляется с уровнем максимального потребления О2. Для изолированных митохондрий [113], сердечных миоцитов [366] и скелетных мышц аэробного типа [215] это критическое значение рО2 располагается в интервале от 0,2 до 0,5 мм рт. ст. Область, заключенная между 1-м и 2-м порогами, включает все возможные комбинации скоро-сти метаболических превращений в клетке и значений рО2

, при которых метаболическая адаптация может обеспечить необходи-мую скорость окислительного ресинтеза АТФ. В пределах этой области метаболическая компенсация достигается за счет изме-нения редокс-состояния и скорости окислительного фосфорили-рования в митохондриях, и она обеспечивает увеличение объема выполняемой работы и скорости ресинтеза АТФ при фиксиро-ванном значении рО2 (горизонтальная стрелка) или поддержание определенного уровня нагрузки и скорости ресинтеза АТФ при


109

выраженном снижении внутриклеточного рО2 (вертикальная

стрелка). Уровень расположения порога 2 и ширина области мета-болической адаптации зависят от условий обеспечения митохон-дриального дыхания субстратами и восстановленными эквивален-тами за счет активации цикла трикарбоновых кислот и гликолиза. В большинстве случаев, когда фосфатные макроэрги доминируют в контроле над скоростью потребления О2, активность ключевого фермента в последовательности гликолитических превращений – фосфофруктокиназы – и общая скорость метаболического потока в гликолизе повышаются. Способность ЦТК вырабатывать вос-становленные эквиваленты с достаточной скоростью зависит от соотношения используемых ключевых ферментов, участвующих в катаболизме этих веществ, и от скорости доставки окисляе-мых субстратов в клетку посредством кровообращения, поэтому порог 2, как и порог 1, должен быть представлен на диаграмме се-мейством кривых. В области, расположенной за порогом 2, поддер-жание необходимой скорости ресинтеза АТФ может быть достиг-нуто только за счет усиления гликолитической продукции АТФ.

Порог 3, обозначенный на рис. 4.21, соответствует тому зна-чению рО2

, ниже которого клеточные функции могут быть суще-ственно нарушены. В этом случае ингибиторная обратная связь для блока энергетического запроса, показанная в верхней части рис. 4.5, предохраняет клетку от разрушающих эффектов низкой концентрации АТФ и снижения рН. Система внутриклеточной регуляции обеспечивает поддержание равновесия между скоро-стью поступления и расходования АТФ, основной сигнал обрат-ной связи зависит от значения рН и Фн. Пороговые значения для скорости кругооборота АТФ на приводимом графике представ-лены как функция от максимальной скорости образования АТФ в клетке. Этот относительный уровень энергетического запро-са при заданной интенсивности работы может быть уменьшен за счет тренировки, способствующей развитию аэробных качеств, которая ведет к увеличению числа митохондрий в мышечной клетке и снижает скорость кругооборота на уровне цитохромов. Такого рода адаптации соответствует смещение кривой зависимо-сти влево по оси абсцисс, которое должно переводить мышцу из состояния выраженной кислородной недостаточности в область адаптационного приспособления при сохранении неизменной скорости транспорта О2 и значения внутриклеточного рО2

, а так-же повышать абсолютную интенсивность выполняемой мышеч-


110

ной работы в пределах области метаболической адаптации [214, 255, 457].

Результаты исследований окислительного обмена в тканях с использованием современной экспериментальной техники, предпринятые в последние годы [132, 164, 215, 229, 408, 465], свидетельствуют о том, что при относительно небольших из-менениях iрО2 на клеточной мембране (≈20 мм рт. ст.) и при от-носительно невысоком метаболическом уровне окислительное фосфорилирование в митохондриях скелетных мышц не лимити-руется скоростью поставки О2 в ткани. Однако при значительном снижении iрО2, постепенном или внезапном, процесс митохон-дриального дыхания становится О2-зависимым [164, 215, 465]. В области низких значений рО2 потребуется поддерживать более выраженные соотношения [НАД·Н]/[НАД+] и ([АДФ]·[Фн])/[АТФ] с тем, чтобы усилившийся уровень тканевого дыха-ния пришел в соответствие с увеличившимися потребностями в аэробном ресинтезе АТФ. Наблюдаемые при низких значениях iрО2 выраженные изменения в соотношении ([АДФ]·[р1])/[АТФ] являются адекватным стимулом для активации в клетке ана-эробного гликолиза [78].

Подводя итог предпринятого рассмотрения механизмов аэроб-ного ресинтеза АТФ в условиях повышающегося уровня мышеч-ной деятельности, необходимо сделать следующие выводы:

1. Состояние митохондриального окисления в тканях не мо-жет быть точно оценено без определения специфического запроса на усиление ресинтеза АТФ.

2. Критический уровень рО2 в мышечных клетках при макси-

мальном О2-запросе составляет ≈0,5 мм рт. ст.3. Критическое значение внутриклеточного рО2 обнаруживает

тканевую специфичность, поскольку оно зависит как от относи-тельного вклада аэробного окисления, так и от состояния систем субстратного и окислительного фосфорилирования.

4. Критическое рО2 в каждой отдельно взятой ткани суще-ственно видоизменяется под влиянием метаболических компен-саций, связанных с изменениями состояния фосфорилирования, цитозольного и митохондриального редокс-состояния, а также поступления субстратов окисления к митохондриальной и глико-литической системам.

5. Скорость анаэробного гликолиза не связана напрямую со скоростью поставки О2 к работающим мышцам.


111

6. Метаболические компенсации, обеспечивающие поддер-жание требуемой скорости ресинтеза АТФ, зависят от значений внутриклеточного рО2

.

4.3. Ресинтез АТФ в процессе анаэробного гликолиза. Образование и устранение молочной кислоты.

Лактатный шунт

Анаэробный способ ресинтеза АТФ при ферментативной деградации углеводов эволюционно более древний, чем механизм окислительного фосфорилирования, реализуемый в дыхательной цепи митохондрий. К этому способу удовлетворения наших те-кущих энергетических потребностей мы обращаемся всякий раз, когда скорость расщепления фосфатных макроэргов, связанная с усилением двигательной активности, превышает возможности системы митохондриального дыхания, зависящей от поставки О2 к работающим мышцам.

Система анаэробного гликолиза способна генерировать АТФ в ходе реакций субстратного фосфорилирования с гораздо боль-шей скоростью, чем это происходит в реакциях окислительного фосфорилирования, сопряженных с переносом водорода на кис-лород по дыхательной цепи митохондрий [327, 379].

Положение гликолиза среди других АТФ-синтезирующих процессов в клетке иллюстрируют данные табл. 4.1, в которой суммированы результаты экспериментальных определений ско-рости образования и общих запасов фосфатных макроэргов при использовании различных способов внутриклеточного образова-ния АТФ.

За счет использования резервов фосфатных макроэргов в алак-татном анаэробном процессе при максимальных мышечных уси-лиях скорость ресинтеза АТФ достигает 2,6 мМ/с/кг веса мышц. В отдельных мышечных волокнах анаэробного типа эта скорость может быть выше указанных значений.

В анаэробном гликолизе максимальная скорость ресинтеза АТФ составляет около 1,4 мM АТФ/с/кг мышечной массы. При достижении такой скорости ресинтеза АТФ ферментативный распад углеводов должен происходить со скоростью, равной vmax в гликогенфосфорилазной реакции. Активность этого фермента в мышечных волокнах анаэробного типа более чем в два раза выше по сравнению с волокнами аэробного типа [199]. Исходя


112

из этого факта, можно предположить, что и суммарная скорость анаэробных гликолитических превращений в мышечных волокнах анаэробного типа будет заметно выше, чем в мышечных волокнах аэробного типа, что подтверждают результаты проведенных экс-периментальных исследований, суммированные в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Максимальная скорость ресинтеза АТФ при использовании различных источников энергии

в скелетных мышцах человека

Источники энергии

Скорость ресинтеза АТФ,

мМ/с/кг

Общее количество АТФ, образованной в мышцах, мM/кг мышечной массы

АТФ+КрФ → АДФ, креатин

2,6 26

Гликоген → молочная к-та 1,4 60–67, всего 240

Гликоген → СО2 0,51–0,68 3100

Глюкоза → СО2 0,22 –

Жирная кислота → СО2 0,24 ?

Общее количество гликогена в скелетных мышцах человека, которое может быть использовано при анаэробном гликолизе, со-ставляет примерно 80 мM глюкозильных единиц на 1 кг мышеч-ной массы [225, 260], а общее количество АТФ, которое может быть ресинтезировано при анаэробном расщеплении этого коли-чества углеводов, составляет от 60 до 75 мM/кг мышечной массы при условии, что вся образовавшаяся в ходе гликолиза молочная кислота остается в работающих мышцах. Достигаемое при этом увеличение концентрации водородных ионов будет ингибиро-вать дальнейшее образование молочной кислоты или, во всяком случае, снижать «пиковую» скорость ее образования. Если обра-зующиеся водородные ионы будут непрерывно устраняться из работающих мышц, теоретически в ходе анаэробного гликолиза можно будет достичь полного исчерпания внутримышечных ре-зервов гликогена и поддерживать максимальную скорость ресин-теза АТФ вплоть до 2,5 мин непрерывной работы.

Общая скорость гликолитической деградации углеводов зави-сит от мощности и предельной продолжительности выполняемого упражнения. В упражнениях с предельной продолжительностью от 30 с до 60 мин скорость гликолитического распада обнаружи-


113

вает экспоненциальное снижение с увеличением предельной про-должительности работы (рис. 4.22). Такой характер зависимости скорости анаэробного расщепления углеводов обусловлен осо-бенностями регуляции ключевых ферментов гликолиза со сто-роны АДФ и АМФ, образующихся в мышцах при напряженной работе. По мере исчерпания наличных запасов КpФ в работающих мышцах происходит снижение скорости прямой креатинфосфо-киназной реакции, что неминуемо приведет к увеличению кон-центрации АДФ в цитозоле работающих мышц. Вызванное этим увеличение аденилаткиназной реакции будет сопровождаться уве-личением концентрации свободных молекул АМФ в клетке. Оба отмеченных фактора играют ключевую роль в аллостерической регуляции фосфофруктокиназы, которая задает скорость общего метаболического потока (несет на себе функцию пейсмейкерa) на начальном этапе гликолиза [47, 78]. По мере увеличения длитель-ности исполняемого упражнения и наблюдаемых при этом изме-нениях в концентрациях промежуточных продуктов и кофакто-ров, влияющих на активность гликолитических ферментов, роль пейсмейкерa, лимитирующего общую скорость гликолиза, после-довательно принимают на себя фосфофруктокиназа, а затем и де-гидрогеназная реакция, где происходит анаэробное окисление, при котором осуществляется синтез первичного макроэрга [47, 225].

Рис. 4.22. Изменение скорости анаэробного гликолитического распада углеводов в упражнениях предельной продолжительности от 30 с до 60 мин


114

Ферментная система анаэробного гликолиза локализуется на цитоплазматических мембранных образованиях или в виде от-дельных ферментных комплексов, рассеянных по цитоплазме вблизи от энергообразующих центров на миофибриллах. Система анаэробного гликолиза весьма чувствительна к состоянию фос-форилирования в клетке. Эта чувствительность, как уже указы-валось выше, зависит от аллостерического контроля фосфофрук-токиназы путем ингибирования при увеличении концентрации АТФ в цитозоле и активации этого фермента под воздействием образующихся АДФ и АМФ. Вместе с тем и другие регулирующие воздействия со стороны системы фосфатных макроэргов также оказывают заметное влияние на скорость реакций в системе анаэ-робного гликолиза. Так, например, при увеличении концентра-ции неорганического фосфата в цитозоле в результате усиления АТФазных реакций происходит активация гликогенфосфорила-зы, и эта концентрация Фн, находящаяся в клетке на уровне зна-чений константы Михаэлеса – Ментена, будет определять общую скорость распада гликогена, используемого в качестве субстрата для анаэробного гликолиза [159, 225]. Реакция субстратного фос-форилирования, находящаяся под контролем глицеральдегидде-гидрогеназы, и АТФ-синтетазные реакции (фосфоглицерокиназ-ная и пируваткиназная) являются теми точками взаимодействия между цитозольным редокс-состоянием и системой фосфатных макроэргов, которые определяют степень контроля над системой гликолиза. Независимо от состояния системы фосфорилирования в клетке на скорость гликолитических превращений могут влиять также такие факторы, как: 1) активация гликогенфосфорилазы в ответ на гормональные воздействия, на увеличение внутрикле-точной концентрации Са2+ и понижение рН; 2) потребление суб-стратов, транспортируемых в клетку (глюкоза); 3) прямое влия-ние со стороны изменений митохондриального редокс-состояния и цитратное угнетение фосфофруктокиназы; 4) непосредствен-ный эффект цитозольного рН на редокс-состояние и активность фосфофруктокиназы [78, 169, 225]. Поддержание высокой ско-рости анаэробных превращений в системе гликолиза зависит от быстроты удаления образующихся молекул АТФ из сферы фос-фотранскиназных реакций. При усилении мышечной активности транспортировка АТФ в АТФ-синтетазных реакциях гликолиза к местам ее потребления в клетке осуществляется с использова-нием энерготранспортного челнока с участием креатинфосфата,


115

локализованного вблизи миофибриллярных центров сократи-тельной активности, и свободных молекул креатина [383].

При адекватном снабжении работающих мышц кислородом гликолиз, происходящий в цитозольной фазе мышечных воло-кон, может осуществляться и без сколь-либо значительного обра-зования молочной кислоты, если образующиеся при анаэробном окислении восстановленные эквиваленты (НАД·Н) при помощи шунтирующих систем, расположенных на внешней мембране ми-тохондрий, будут окисляться в дыхательной цепи митохондрий с той скоростью, с которой они генерируются в цитоплазматиче-ских реакциях анаэробного окисления (аэробный гликолиз). Эту ситуацию в мышечной клетке иллюстрирует рис. 4.23.

В капиллярах работающих мышц доставляемая с кровью ок-сигенированная форма гемоглобина используется для поддержа-ния необходимого градиента рО2 на клеточной мембране. В этом случае гликолиз совершается аэробно, без увеличения концентра-ции молочной кислоты (La–); митохондриальный окислительно-восстановительный шунт (дегидроацетонфосфат → альфа-глицерофосфат) контролирует цитозольное редокс-состояние (НАД·Н + Н+/НАД+). Пируват, образующийся на заключительной стадии гликолитического расщепления углеводов, метаболизиру-ется в системе митохондриального окисления вплоть до образова-ния конечных продуктов Н2О и СО2, а электроны, переносимые по дыхательной цепи, используются при синтезе АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования. Когда кровь, притекающая к работающим мышцам, достигает венозного конца капилля-ров, где значения рО2

столь низки, что уже не могут обеспечить окисление НАД.Н при участии мембранного редокс-челнока с высокой скоростью, отношение НАД.Н/НАД в цитозольной фазе мышечного волокна будет увеличиваться. В этой ситуации большая часть образующейся в ходе гликолиза пировиноградной кислоты превращается в молочную под воздействием внутри-мышечной лактатдегидрогеназы (ЛДГ), а дегидроацетонфосфат вместе с фосфоглицеральдегидом преобразуется в 3-фосфоглице-риновую кислоту в точной пропорции к изменившемуся редокс-состоянию [47]. Повышение скорости образования La– в мы-шечной клетке сопровождается одновременным увеличением цитоплазматической концентрации Н+. Повышение концентра-ции Н+ приводит к их буферированию в бикарбонатной систе-ме (НСО3

–) клетки. Снижение внутриклеточной концентрации


116

Рис. 4.23. Схема взаимоотношений реакций аэробного и анаэробного (гликолитического) окисления в организме человека

при напряженной мышечной деятельности

НСО3– при одновременном увеличении концентрации молочной

кислоты приводит в действие механизмы, совершающие обмен-ный транспорт La– и НСО3

– на клеточной мембране. При этом из клетки выходит и СО2, образующаяся при буферировании


117

внутри клетки. Диссоциация оксигемоглобина в капиллярах зависит от степени закисления (эффект Бора), и это будет пре-пятствовать дальнейшему снижению рО2 на клеточной мембране [406]. Большая часть образующейся при мышечной работе молоч-ной кислоты диссоциирует в саркоплазматической фазе на ионы водорода (Н+) и ионы кислотного остатка (La–):

С2Н4(ОН)СООН → Н++ С2Н4(ОН)СОО–. (4.5)

Увеличение концентрации лактата в работающих мышцах всегда сопровождается одновременно наблюдаемым снижением внутриклеточного рН (от 7,0 в покое до 6,2–6,4 при напряженной работе [241, 291, 377, 381]).

Снижение внутриклеточного рН до значений около 6,4 вызы-вает угнетение активности миозиновой АТФазы и соответствую-щее уменьшение показателей генерируемой силы и мощности [188, 239, 378].

Изменения скорости метаболического потока в цитоплазма-тической системе гликолиза непосредственно отражаются на скорости образования молочной кислоты в работающих мышцах. Два главных момента являются определяющими для увеличения скорости накопления молочной кислоты при напряженной мы-шечной работе: 1) более высокая скорость гликолиза по сравне-нию со скоростью реакций окислительного фосфорилирования в митохондриальной системе дыхания и 2) более быстрое «вклю-чение» гликолиза в начале упражнения, связанное со скоростью прохождения сигнала от метаболических эффекторов к ключе-вым ферментам, выполняющим функцию пейсмейкеров в глико-литической системе [47, 232, 377], и высоким химическим срод-ством реакций субстратного фосфорилирования к образующимся продуктам расщепления АТФ (АДФ, АМФ, Фн) при мышечных сокращениях [76, 78, 225]. При развитии декомпенсированных со-стояний гипоксии в условиях выполнения высокоинтенсивных упражнений, превышающих значение критической мощности, где достигается максимум потребления О2, увеличение концентра-ции пирувата и НАД·Н в результате значительного ускорения ре-акций анаэробного окисления с неизбежностью будет приводить к ускорению образования молочной кислоты в саркоплазме рабо-тающих мышц [221, 281, 291, 381].

Ниже перечислены основные причины, приводящие к измене-нию концентрации молочной кислоты в работающих мышцах.


118

Факторы, влияющие на образование молочной кислоты в ходе анаэробного гликолиза при напряженной

мышечной работе [221]1. Конкурентное взаимодействие между лактатдегидрогеназ-

ной системой в цитоплазме и субстратными шунтами на митохондриальной мембране (малатаспартатный и глице-ролфосфатный шунты) за обладание НАД·Н и пируватом.

2. Соотношение активностей ключевых ферментов анаэроб-ного гликолиза (фосфорилазы и фосфофруктокиназы) с активностью пируватдегидрогеназной системы аэробного окислении.

3. Увеличение фосфорилазной активности в ходе интенсив-ной мышечной работы под воздействием увеличивающихся концентраций [Са2+], [Фн] и [АМФ] в саркоплазме; это уве-личение скорости гликолиза ведет к возрастанию образова-ния молочной кислоты.

4. Снижение [АТФ] и увеличение [АДФ], [АМФ], [Фн] и [NH4

+] ведет к усилению скорости фосфофруктокиназной реакции и большему образованию молочной кислоты.

5. Увеличение [Са2+] в саркоплазме приводит к активации фосфорилазы и фосфофруктокиназы независимо от обрат-ных метаболических связей.

6. Строго скоординированные изменения ферментативной активности на последующих стадиях гликолиза приводят к увеличению скорости суммарного метаболического пото-ка через систему анаэробного гликолиза.

7. Увеличение скорости внутриклеточной перфузии также способствует ускорению фермент-субстратных взаимодей-ствий в системе гликолиза.

8. С увеличением интенсивности выполняемого упражнения свыше 60% max V

.О2 происходит снижение внутримышеч-

ного рО2, что приводит к тому, что окислительное фосфо-

рилирование в митохондриях становится О2-зависимым и для поддержания необходимого соотношения [АДФ]·[Фн]/[АТФ] потребуется усиление анаэробного гликолиза с соот-ветствующим ускорением образования молочной кислоты.

9. Усиление симпaтоадреналовой активности с повышением интенсивности выполняемой работы приводит к активации фосфорилазы под воздействием адреналина и одновремен-ному ускорению образования молочной кислоты.


119

10. Адреналин к тому же снижает скорость устранения молоч-ной кислоты из работающих мышц.

11. Симпатоадреналовая активность вызывает вазоконстрик-цию и уменьшение кровотока в печени, почках и неработа-ющих мышцах, что снижает скорость окисления молочной кислоты и уменьшает ее удаление из работающих мышц.

12. Увеличение количества вовлекаемых в работу быстросокра-щаемых мышечных волокон с повышением интенсивности выполняемого упражнения также усиливает образование молочной кислоты в работающих мышцах; при этом ско-рость образования молочной кислоты превышает скорость ее удаления из крови и работающих мышц.

Концентрация молочной кислоты в саркоплазме работающих мышц может достигать порядка 30–40 мM/кг [221]. При кратко-временных высокоинтенсивных упражнениях значительная часть образующейся молочной кислоты (до 48%) в период восстанов-ления после завершения упражнения может быть подвергнута обратному превращению в гликоген в покоящихся клетках или печени с участием цикла Кори [144, 221, 329]. Другая часть обра-зующейся в ходе гликолиза молочной кислоты (от 55 до 75%) под-вергается окислению в самих мышцах или иных тканях организма [143, 218–220].

Относительно небольшая по своим размерам молекула мо-лочной кислоты легко проходит через мембранные препятствия как в пределах саркоплазматического пространства, так и вне его, обусловливая быстрый отток образующейся молочной кислоты из работающих мышц в кровеносное русло и к другим органам и тканям за счет простой диффузии [368]. Однако, как выявилось в результате исследований, выполненных за последние годы [217, 273, 327], значительная часть образующейся молочной кислоты в интенсивно работающих мышцах (до 70% ее общего количества в клетке) проходит через наружную клеточную мембрану путем активного транспорта, осуществляемого специфическим белко-вым комплексом – монокарбоксилатным переносчиком (МСТ). В скелетных мышцах человека обнаружено несколько изоформ этого белка-переносчика, обозначаемых порядковыми номерами от МСТ1 до МСТ7 [131, 357]. Лактатный переносчик МСТ1 преоб-ладает в мышечных волокнах аэробного типа, переносчик МСТ4 – в быстросокращающихся волокнах гликолитического типа [357].


120

Направленный транзит молочной кислоты через сарколем-му при посредстве специфического переносчика в большей мере реализуется в мышечных волокнах аэробного типа [217, 236, 237]. Это связано с тем, что волокна аэробного типа в первую очередь активизируются с началом упражнения, и они активно действуют на протяжении всего времени работы, образуя значительное ко-личество молочной кислоты. Кроме того, волокна окислительного типа играют важную роль в окислительном устранении молочной кислоты, образующейся в мышечных волокнах анаэробного типа [143, 219]. С учетом этих обстоятельств более высокая транспорт-ная способность по отношению к лактату у мышечных волокон аэробного типа представляется вполне оправданной [220].

Основываясь на известных фактах о судьбе молочной кисло-ты, образующейся в скелетных мышцах при напряженной работе, Дж. Брукc [143] постулировал наличие в мышцах особого молоч-нокислого шунта, с использованием которого происходит обмен этого анаэробного метаболита в пределах отдельного мышечного волокна и в целом организме.

Согласно теории молочнокислого шунта образовавшаяся в ходе анаэробного гликолиза молочная кислота диффундирует в саркоплазматическую область вблизи от наружной мембраны митохондрий, где она подвергается действию митохондриальной лактатдегидрогеназы, образуя пировиноградную кислоту. Вос-становленные эквиваленты НАД шунтируются через митохон-дриальную мембрану в матрикс, где они подвергаются окислению в дыхательной цепи митохондрий. Пируват, образовавшийся при окислении молочной кислоты, транспортируется внутрь митохон-дрий при участии мембранного переносчика МСТ1 и подвергает-ся дальнейшим окислительным превращениям в цикле трикарбо-новых кислот. Общая схема молочнокислого шунта представлена на рис. 4.24.

Молочнокислый шунт в организме человека охватывает мно-гие органы и ткани. Молочная кислота, выделяемая из работаю-щих мышц, подвергается окислению в неработающих мышцах и сердечной мышце [217, 289]. По данным прямых эксперимен-тальных исследований окислительного обмена в сердечной мыш-це человека, выполненных И. Кейлем с сотр. [291], при напря-женной работе около 60–70% общего энергетического запроса миокардиальной деятельности удовлетворяется за счет окисле-ния молочной кислоты, поступающей с венозной кровью от ра-


121

Рис

. 4.2

4. Л

акт

атны

й ш

унт

в с

келе

тны

х м

ыш

цах

чело

века

при

нап

ряж

енно

й м

ыш

ечно

й ра

бот

е (п

о Л

. Гла

дден

у [2

21])


122

ботающих мышц. Незначительная часть образующейся молочной кислоты окисляется также в тканях головного мозга, а в печени и почках поступающая от работающих мышц молочная кислота частично преобразуется в глюкозу и большей частью использует-ся при синтезе гликогена [217].

В отличие от прежних концепций, рассматривавших молочную кислоту только в качестве конечного продукта анаэробного глико-лиза, появление которого ассоциируется с развитием утомления в работающих мышцах, теория молочнокислого шунта отводит молочной кислоте роль центрального метаболита, связывающего между собой субстратные превращения в различных тканях и ор-ганах и выполняющего ключевую функцию в контроле над ско-ростью митохондриального дыхания в работающих мышцах [143, 220].

В анаэробных условиях в качестве конечных продуктов гликолитического расщепления углеводов помимо молочной кислоты в работающих мышцах могут накапливаться пируват, альфа-глицерофосфат, аланин и сукцинат [400].

A. Катц и K. Сахлин [282], проводя исследования микробио-логических образцов, взятых из работающих мышц непосред-ственно после окончания упражнения, обнаружили увеличение в них концентрации альфа-глицерофосфата в строгой пропорции к увеличению содержания молочной кислоты. Пируват и аланин также увеличиваются в мышцах при напряженной работе. Эти из-менения скорее всего являются вторичным ответом на изменения цитозольного редокс-состояния и ускорение скорости гликолиза в мышцах при напряженной работе.

4.4. Взаимодействие цитозольной и митохондриальной систем окисления в работающих мышцах

В мышечных клетках как гликолитическая анаэробная си-стема в саркоплазме, так и система митохондриального дыхания подвержены одним и тем же контрольным сигналам. Обе систе-мы чувствительны к изменениям состояния фосфорилирования в клетке, обе они отвечают на увеличение концентрации Са2+ в цитозоле, а также на другие сигналы, отражающие изменения уровня энергетического запроса при работе, например измене-ния редокс-состояния в соответствующих компартаментах клет-ки [78, 169]. Вместе с тем гликолитическая и митохондриальная


123

системы окисления различаются по скорости общего кругооборо-та веществ и действуют независимо друг от друга. Контролирую-щие метаболические сигналы в каждой из этих систем отражают состояние фосфорилирования в клетке; различная чувствитель-ность к эти сигналам определяет особенности взаимодействия систем анаэробного и аэробного окисления в ответ на изменение состояния фосфорилирования при выполнении упражнения. Редокс-состояние в цитозольном компартаменте определяется соотношением НАД·Н+/НАД+ или лактат/пируват [168, 430]. В ходе реакций окислительного фосфорилирования в митохон-дриях происходит потребление восстановительных эквивалентов, в то время как интенсифицирующийся в саркоплазме гликолиз непрерывно продуцирует восстановленные эквиваленты. Редокс-состояния, возникающие на обоих метаболических путях, взаимо-действуют через систему переносчиков, локализованных на ми-тохондриальной мембране. Эти переносчики, со своей стороны, проявляют высокую чувствительность к изменениям мембранно-го потенциала и градиенту концентрации АТФ и, следовательно, к общей скорости кругооборота АТФ [119, 163]. Именно поэтому гликолитическая и митохондриальная системы окисления спо-собны влиять друг на друга через изменения редокс-состояния и состояния фосфорилирования в клетке [416].

Исследования систем аэробного и анаэробного окисления in vitro [78] показывают быстро изменяющийся контроль над ско-ростью гликолиза в условиях мышечной активности при одновре-менно высокой степени сопряженности между окислением и фос-форилированием в митохондриях и активности трансмембранных переносчиков. При этом, как уже отмечалось, уровень цитозоль-ного редокс-состояния и скорость гликолиза зависят от скорости кругооборота АТФ. Доказательством такого рода взаимодействия систем аэробного и анаэробного окисления в мышечной клетке может служить тот факт, что накопление лактата в мышцах при умеренной работе происходит в точной пропорции к скорости по-требления кислорода, а также то, что между уровнем цитозольного редокс-состояния в работающих мышцах и скоростью потребления О2 существует тесная корреляция. Подобный характер взаимоот-ношений между цитозольной системой анаэробного гликолиза и митохондриальной системой аэробного окисления обычно обо-значается как прямой пастеровский эффект [78]. При напря-женной мышечной работе, когда в интенсивно сокращающихся


124

мышечных волокнах возникает состояние декомпенсированной гипоксии и когда скорость гликолиза становится много выше ско-рости окислительных превращений в митохондриях, приток Н+ из саркоплазматической среды в межмембранное пространство мито-хондрий будет вызывать снижение скорости переноса электронов по дыхательной цепи и падение скорости утилизации кислорода в работающих мышцах [272]. Такое явление, наблюдающееся при напряженной мышечной деятельности, обозначается как обратная пастеровская реакция, или эффект Крэбтри [78, 217].

4.5. Сопряжение биоэнергетических превращений в работающих мышцах с транспортом газов в организме

При усилении мышечной активности скорость кругооборота АТФ в работающих мышцах может возрастать в несколько сот раз (см. параграф 4.2). Поддержание необходимой скорости ресинте-за АТФ в процессе мышечной работы достигается за счет одно-временного усиления скорости утилизации фосфатных макроэр-гов в КрФ-киназной реакции и ускорения реакций субстратного и окислительного фосфорилирования в цитозольной и митохон-дриальной системах окисления. Показано [28, 96, 379], что кон-центрация КрФ в работающих мышцах снижается в строгой про-порции с мощностью выполняемой работы. Отмечаемое при этом увеличение концентраций свободного креатина, неорганического фосфата и АДФ обусловливает ускорение реакций окислительно-го фосфорилирования в митохондриях, при которых происходит ресинтез АТФ. Как уже отмечалось ранее, концентрация АТФ в работающих мышцах поддерживается на относительно посто-янном уровне и лишь незначительно снижается при выполнении предельных усилий максимальной мощности [177, 379]. Макси-мальная скорость ресинтеза АТФ в процессе митохондриально-го дыхания поддерживается неизменной до тех пор, пока внут-риклеточное напряжение О2 не снизится до значений порядка 3–5 мм рт. ст. С тем чтобы обеспечить сохранение внутриклеточ-ного рО2

в пределах, достаточных для поддержания состояния метаболической адаптации в системе энергетического обмена, напряжение О2 на наружной клеточной мембране, при котором происходит «накачка» О2 в клетку, должно поддерживаться на уровне 12–15 мм рт. ст. Это значение рО2

, обеспечивающее поддержание необходимой скорости окислительных реакций


125

в клетке, обозначается как критическое напряжение кислорода [308]. Для поддержания этого критического напряжения О2, при котором еще возможно функционирование мышц, побуждаемых к работе, напряжение О2 в артериолах, доставляющих кровь не-посредственно к работающим мышцам, должно составлять при-мерно 40 мм рт. ст., а в магистральных артериолах – около 80–90 мм рт. ст. В легочных альвеолах, где происходит газообмен между кровью и вдыхаемым воздухом, напряжение О2 сохраняет-ся на уровне около 100 мм рт. ст., тогда как в атмосферном воздухе на уровне моря оно равно 159 мм рт. ст.

На рис. 4.25 эти значения критического напряжения О2 на раз-личных этапах транспорта кислорода в организме представлены в виде нисходящих ступеней с постепенно понижающимся уров-нем рО2

, обозначаемых как кислородный каскад организма, кото-рый обеспечивает постоянную «накачку» О2 в работающие мыш-цы в точном соответствии с их метаболической потребностью. Увеличение поставки кислорода в ткани и удаление образующих-ся СО2 и Н+ достигается за счет усиления активности кардиова-скулярной и респираторной (пульмонарной) систем организма, которые определяют уровень здоровья человека и его физическую работоспособность [428].

Количество кислорода, поставляемого к работающим мышцам, зависит от следующих факторов:

1) сердечной производительности, т.е. величины минутного объема крови;

2) распределения перфузированной крови в работающих мышцах;

3) изменения рО2 в крови при ее прохождении по капиллярно-

му руслу;4) концентрации гемоглобина в крови; 5) способности гемоглобина к связыванию О2, т.е. его кисло-

родного сродства.Фактор сердечной производительности играет ведущую роль

в определении количества О2, поставляемого к работающим мышцам [124, 216, 405]. Минутный объем крови определяется произведением величины ударного объема на частоту сердечных сокращений: Q = q . fh, (4.6)где Q – минутный объем, л/мин, q – ударный объем, мл, fh – часто-та сердечных сокращений, уд./мин.


126

Рис. 4.25. Изменение величины напряжения кислорода на различных этапах транспорта О2 к работающим мышцам

в организме человека (кислородный каскад)

Изменения составляющих параметров сердечной производи-тельности при мышечной работе связаны строгой зависимостью (рис. 4.26). При выполнении упражнений умеренной интенсив-ности и в начале работы изменения минутного объема зависят преимущественно от изменений ударного объема сердца. Удар-


127

ный объем возрастает линейно с изменением частоты сердечных сокращений начиная от значений, характерных для уровня покоя, и до значений, соответствующих максимальной механической производительности миокарда, которая достигается при пульсе 130 уд./мин (граница выносливости – АDG). В диапазоне зна-чений частоты сердечных сокращений от 130 до ≈170 уд./мин ударный объем сердца поддерживается на поcтоянном уровне, но начинает постепенно снижаться после достижения часто-ты сердечных сокращений около 170 уд./мин (уровень нагруз-ки PWC170). При значениях частоты сердечных сокращений выше 170 уд./мин увеличение скорости капиллярного кровотока в сердечной мышце не уравновешивает увеличение ее потреб-ности в кислороде. Это состояние обозначается как функциональ-ная ишемия сердца, при котором обнаруживается снижение меха-нической производительности миокарда [124, 240].

Сердечный выброс при высоких значениях интенсивности мы-шечной работы возрастает за счет увеличения частоты сердечных сокращений, и он линейно связан с мощностью выполняемого упражнения [196, 216, 251, 405].

Рис. 4.26. Изменение показателей кардиодинамики в зависимости от величины относительной мощности упражнения

q


128

Соответствие показателей сердечной производительности кислородному запросу тканей зависит от перераспределения пе-риферического кровотока, которое происходит при мышечной деятельности. На старте упражнения объем крови, направляемой к работающим мышцам, резко возрастает из-за вазодилятации капиллярного ложа в скелетных мышцах и вазоконстрикции, раз-вивающейся во внутренних органах [376]. Изменения перифе-рического кровотока зависят также от действия иных местных факторов, таких как увеличение концентраций Н+, К+, аденози-на, снижение рО2

и повышение температуры внутренней среды [195, 397].

В норме изменения артериального рО2 являются функци-

ей от альвеолярного рО2 (рАО2

). На уровне моря рАО2≈102 мм рт.

ст., а значение рАСО2 при обычном значении дыхательного ко-

эффициента в покое (R=0,8) составляет около 40 мм рт. ст. Воз-можные отклонения значений рАО2

от его должных величин в этих условиях обусловливаются следующими факторами: 1) шунтированием крови в направлении справа налево; 2) нару-шениями диффузионного равновесия во внутриальвеолярных ка-пиллярах; 3) выявляющимися нарушениями соответствия альве-олярной вентиляции (V·A) местному кровотоку в легких (Q· ). При выполнении физических упражнений рАО2

в норме удерживается на уровне около 92 мм рт. ст. (рис. 4.27) при р(А–а)О2

≈12 мм рт. ст. [169, 184, 250]. Наблюдаемые при этом различия между альвео-лярным и артериальным рО2

могут быть связаны с определенным шунтированием крови в направлении справа налево и отсутстви-ем строгого постоянства соотношения V·А/Q· в разных отделах лег-кого. Эти различия обычно увеличиваются при выполнении на-пряженной мышечной работы, когда р(А–а)О2

превышает 30 мм рт. ст. [184, 450].

Количество О2, поставляемого к работающим мышцам, зави-сит от его содержания в притекающей артериальной крови. Со-держание О2 в артериальной крови, в свою очередь, зависит от напряжения О2 и концентрации гемоглобина, выполняющего роль химического переносчика О2. При развитии анемических со-стояний, когда содержание О2 в крови уменьшается, поставка О2 к работающим мышцам во время упражнения заметно снижает-ся. При этом если снижение рО2

в капиллярной крови достигает значений ниже критического уровня, при котором еще возможно обеспечить диффузию О2 к митохондриальным центрам окисле-


129

ния, уровень метаболической активности в работающих мышцах неизбежно снизится, а величина отношения Q·

m/V·О2, напротив,

увеличится.На скорость утилизации О2 в работающих мышцах заметное

влияние оказывают изменения кривой оксигенации гемоглобина, происходящие при закислении крови в ответ на развитие метабо-лического ацидоза при напряженной мышечной работе, повыше-ние температуры и увеличение концентрации 2,3-дифосфоглице-рата (2,3-ДФГ). Эти изменения, обозначаемые как эффект Бора, выражаются в том, что под влиянием ацидоза, увеличения темпе-ратуры и повышения концентрации 2,3-ДФГ кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо по оси рО2

, и это приводит к ускорению диффузии О2 из капиллярной крови к митохондри-ям в работающих мышцах. В противоположность этому, при раз-витии алкалоза, отравлениях угарным газом и при низких кон-

Рис. 4.27. Изменения показателей кислотно-щелочного равновесия и газов крови при интенсивной мышечной работе


130

Атмосферныйвоздухр

O2 = 159

рCO2

= 0,3

Альвеолярныйвоздухр

O2 = 104

рCO2

= 40

Легочныекапилляры

Альвеолы

Легочная артерияр

O2 = 40

рCO2

= 45

Легочныевеныр

O2 = 104

рCO2

= 40

Внешнее дыхание

Системныевены р

O2 = 40

рCO2

= 45

Системныеартериир

O2 = 104

рCO2

= 40

Межклеточнаяжидкость

Тканевоедыхание

Тканевыекапилляры

Тканир

O2 = 40

рCO2

= 45

Рис. 4.28. Изменения напряжения О2 и СО2 в крови при ее прохождении по большому и малому кругу кровообращения

центрациях 2,3-ДФГ градиент диффузии О2 снижается и общая скорость поступления О2 в работающие мышцы будет умень-шаться.

Когда циркулирующая кровь проходит через легкие, она под-вергается артеризации, т.е. из нее удаляются избытки СО2, вы-деляемые в работающих мышцах, происходит насыщение кис-лородом и восстановление нарушенного кислотно-щелочного равновесия (рис. 4.28).


131

Уровень легочной вентиляции (V·Е) при мышечной работе уве-личивается в такой степени, чтобы обеспечить устранение СО2, образующейся в ходе работы, приуменьшить возможные изме-нения концентрации водородных ионов, возникающие при раз-вивающемся метаболическом ацидозе [449]. При выполнении упражнений умеренной интенсивности V·Е обеспечивает поддер-жание рСО2

и рН артериальной крови на уровне, незначительно отличающемся от уровня покоя [426, 434, 445]. В условиях на-пряженной мышечной работы, когда уровень V·Е резко возрастает из-за быстро прогрессирующего метаболического ацидоза в тка-нях, происходит снижение альвеолярного рСО2

при одновременно наблюдающемся падении рН. При умеренной работе увеличение легочной вентиляции достигается главным образом за счет воз-растания дыхательного объема и, в меньшей степени, за счет из-менения частоты дыхания. При напряженной мышечной работе легочная вентиляция увеличивается преимущественно за счет возрастания частоты дыхания.

Общая картина изменений в процессах легочного газообмена представлена на рис. 4.29. В динамике показателей газообмена при мышечной работе отмечается наличие трех различных фаз. На старте упражнения (фаза I) происходит резкое увеличение V·Е, V·СО2

и V·О2, вызванное быстрыми изменениями сердеч-

ной производительности (кардиодинамическая фаза). Значе-ния дыхательного коэффициента (R) в этой фазе обычно оста-ются неизменными (в течение первых 10–15 с работы). Во второй фазе легочного газообмена (фаза II), начало которой от-мечается резким снижением значений дыхательного коэффи-циента, наблюдается быстрое экспоненциальное возрастание V·Е, V·СО2

и V·О2 к их асимпотическим значениям. Эта фаза связа-

на с увеличением скорости тканевого дыхания, которое доволь-но точно отражается в изменениях газообмена в легких [429]. Значения дыхательного коэффициента остаются пониженны-ми в течение всей этой фазы, поскольку изменения скорости потребления О2 в этой фазе превышают соответствующие им значения скорости выделения СО2. В последующем при дости-жении стационарного уровня газообмена при работе (фаза III) значения дыхательного коэффициента превышают уровень по-коя, отражая преимущественно углеводный характер субстрат-ного обеспечения тканевого дыхания при мышечной работе [117, 258, 437].


132

Рис. 4.29. Изменения уровня легочной вентиляции и показателей газообмена при выполнении интенсивной работы на велоэргометре в течение 4 мин

Схема, иллюстрирующая сопряженный характер измене-ний скоростей тканевого и легочного газообмена, приведена на рис. 4.30. На графиках, изображенных в центральной части схемы, представлены описанные выше три фазы изменений легочного газообмена. На рисунках, расположенных по углам приводимой


133

Рис. 4.30. Схема сопряженных изменений показателей газообмена в легких у человека при напряженной мышечной работе

схемы, представлены сопряженные изменения скоростей ткане-вого и легочного газообмена, регулируемые за счет кардиовас-кулярных перестроек в работающих мышцах и легких. В карди-одинамической фазе на старте упражнения (фаза I) изменения скоростей газообмена в легких непосредственно связаны с бы-стрым увеличением сердечного выброса при возбуждении мы-шечной активности. Во второй фазе (экспоненциального возрас-тания показателей газообмена в легких) происходит уменьшение содержания кислорода и увеличения концентрации СО2 в веноз-ной крови из-за повышения скорости утилизации О2 в процессах тканевого дыхания и дальнейшего возрастания показателей сер-дечной производительности. В фазе устойчивого состояния до-стигается равновесие возросших скоростей тканевого и легочного газообмена [428]. Но это равновесие вновь может быть нарушено при развитии утомления при напряженной мышечной работе.


134

4.6. Кинетика потребления О2 при мышечной работе

Изменения уровня потребления О2 при мышечной работе, определяемые по изменениям легочного газообмена, с достаточ-ной точностью отражают особенности газообмена в тканях и его подверженность действию регулирующих механизмов. Общую картину динамики кислородного потребления при выполнении упражнений критической мощности до отказа иллюстрирует гра-фик, приводимый на рис. 4.31 и в более подробном виде (при боль-шей разверстке по времени работы) на рис. 4.32. Резкое скачко-образное изменение уровня потребления О2 на старте упражнения отражает действие установочных (кортикальных) рефлексов на респираторные функции [102]. Фаза стартовой задержки в кри-вой О2-потребления на первых 10–15 с от начала работы связана с изменениями венозного возврата и скорости легочного кровотока, а также с использованием внутримышечных резервов фосфагенов и депонированного О2 (физически растворенного в жидкостной фазе тканей или находящегося в связанной форме с миоглобином) при резком усилении мышечной активности [3, 448].

Во второй фазе (быстрого экспоненциального нарастания уровня потребления О2), охватывающей промежуток времени упражнения от момента завершения фазы стартовой задержки (около 15 с) до момента достижения уровня устойчивого состо-

Рис. 4.31. Три фазы кинетической кривой потребления О2 при напряженной мышечной работе, выполняемой до отказа

tot


135

яния (примерно 3 мин), изменения легочного газообмена точно уравновешивают изменения скорости тканевого дыхания, ис-ключая из них те количества О2, которые депонируются в окси-гемоглобине венозной крови, оксигемоглобине скелетных мышц и растворимой фазе О2. Количество О2, резервируемого в альвео-лярном объеме легких, оказывает лишь незначительное влияние на кинетику О2, так как концентрация О2 в альвеолярном воздухе относительно мала, и она практически не меняется в течение вто-рой фазы, а функциональная остаточная емкость во время упраж-нения уменьшается примерно наполовину, так что в ее остаточ-ных количествах во время второй фазы будет находиться около 75 мл О2, что вряд ли может оказать сколь-либо заметное влияние на кинетику О2 в начальных фазах работы. На изменения уров-ня потребления О2 в фазе быстрого экспоненциального воздей-ствия заметное влияние могут оказать изменения в гемодинами-ческом ответе, регистрируемые в начале выполнения упражнения (быстрые изменения величины сердечного выброса и расширение артериовенозной разницы).

Рис. 4.32. Изменения кинетической кривой потребления О2 после начального лаг-периода при выполнении упражнений разной мощности


136

При невысоком уровне интенсивности выполняемого упраж-нения изменения V·

O2 во второй фазе могут быть представлены

простым экспоненциальным выражением с постоянным значе-нием константы скорости, которому соответствует «половин-ное время» около 30 с. При достижении устойчивого состояния в этих условиях регистрируемое значение асимптотического уров-ня V·

O2 близко отражает энергетические потребности работающих

мышц [428, 447]. При напряженной мощной деятельности, когда обнаруживается неадекватность скорости поставки О2 к работаю-щим мышцам и в тканях активизируется анаэробный гликолиз, связанный с образованием молочной кислоты и возникновени-ем метаболического ацидоза, уровень V·

O2 непрерывно возрастает

с увеличением продолжительности упражнения, следуя биэкс-поненциальной зависимости, в которой наряду с компонентом с быстрой константой скорости присутствует также компонент с медленной константой скорости, отражающий постепенное возрастание уровня V·

O2 из-за снижения эффективности ткане-

вого дыхания в условиях метаболического ацидоза [448]. Такие изменения в динамике взаимоотношений тканевого и легочно-го дыхания отражаются в размерах накопленного О2-дефицита и в показателях О2-долга, оплачиваемого после завершения мы-шечной работы [114, 146]. Общие затраты энергии на выполне-ние мышечной работы могут быть оценены по величине общего О2-запроса, представленного суммой О2-прихода за время рабо-ты и О2-долга, оплаченного после завершения упражнения [421]. Частное от деления величины общего О2-запроса на время упраж-нения обозначается как уровень О2-запроса, точно оценивающий суммарную скорость энергетических затрат при выполнении упражнения. Относительный вклад отдельных метаболических источников в общий О2-запрос нетрудно вычислить на основе установленных величин О2-прихода за время упражнений (аэроб-ная энергопродукция), размеров быстрой (алактатная анаэробная энергопродукция) и медленной фракций О2-долга или по общему количеству образованной молочной кислоты (гликолитическая анаэробная энергопродукция) [22, 421]. При оценке относитель-ной тяжести выполняемой работы обычно используются пока-затели максимального метаболического уровня, представляюще-го собой отношение уровня О2-запроса упражнения к величине индивидуального уровня максимального потребления О2: ММR = = RO2

/max V·O2

[26, 28, 34].


137

При регистрации респираторных показателей в режиме «от вдоха к вдоху» на кинетической кривой О2-потребления от-четливо проявляются осцилляторные изменения. Эти осцилля-ции могут быть обусловлены влиянием как случайных факто-ров, так и регулярно действующих причин [24, 39]. Разделение эффектов казуальных и систематических факторов может быть достигнуто за счет применения специальных формальных про-цедур планирования экспериментов и статистической обработки полученных данных. В работах Н.И. Волкова, А.Н. Конрада и др. [33, 39] для сглаживания экспериментальной кривой потребления О2 использовалась методика расчета скользящей средней по се-риям из шести последовательных заборов проб выдыхаемого воз-духа и последующего восстановления амплитуды колебательных изменений уровня потребления О2 по формуле:

sin mWQ

1 2 А = · , (4.7) m WQ sin 2

где А – величина амплитуды осцилляторных изменений уровня потребления О2, m – число последовательных проб, используе-мых для расчета скользящей средней, Q – длительность интерва-ла забора отдельной пробы выдыхаемого воздуха, W – круговая частота колебаний.

Как видно на графике кривой изменения О2-потребления, представленном на рис. 4.33, рассчитанные указанным выше спо-собом точки экспериментальных замеров скорости потребления О2 при напряженной мышечной работе образуют регулярную волнообразную кривую. Это свидетельствует о том, что осцилля-торные изменения уровня потребления О2 при мышечной работе, наблюдающиеся на индивидуальных кривых, проявляются как следствие влияния не только случайных факторов, но и некоторых регулярно происходящих изменений во внутриклеточном обмене. При анализе получаемых таким образом кинетических кривых в интервалах времени около 1,5 мин от старта упражнения и на 3–5-й минуте восстановительного периода на всех графиках на-блюдается сбой регулярного колебательного процесса с последу-ющим его восстановлением на более поздних интервалах времени.


138

Как правило, этот сбой осцилляций, наблюдаемых в изменениях скорости потребления О2, точно соответствует моментам перехо-да быстрой фазы кинетической кривой в медленную, где каждой из этих фаз соответствуют различные значения полупериодов ко-лебаний кривой О2-потребления.

Осцилляторные изменения скорости потребления О2, регистри-руемые по показателям легочного газообмена, тесно сопряжены с особенностями аэробного и анаэробного метаболизма в работаю-щих мышцах, поскольку в организме человека не существует иных систем, способных демпфировать столь высокие скорости измене-ний в уровне потребления О2 [39, 447]. Причину обнаруживающе-гося сбоя осцилляций в уровне потребления О2 можно объяснить переходом системы тканевого обмена О2 от одного колебательного режима к другому или, что более вероятно, сменой самих осцил-ляторов [46, 47]. Один из таких биохимических осцилляторов, связанный с использованием эндогенных субстратов окисления, скорее всего, локализуется в митохондриях работающих мышц [76, 157]. Другой предполагаемый осциллятор связан с окислени-ем молочной кислоты, образующейся в саркоплазматическом про-странстве мышечных клеток при анаэробном гликолизе, или соот-ветствующих количеств восстановленных эквивалентов НАД·Н2, окисляемых в работающих мышцах при участии «челночных» механизмов, например за счет альфа-глицерофосфатного или ма-латного циклов [143]. Вполне вероятно, что деятельность этого осциллятора локализуется в клетках миокарда, на долю которо-го при напряженной мышечной работе приходится до 64% окси-

Рис. 4.33. Осцилляторные изменения кинетической кривой потребления О2, выявляемые в режиме регистрации «от вдоха к вдоху»

при напряженной мышечной работе


139

дативного устранения образовавшейся молочной кислоты [291]. В период отдыха после завершения работы медленно действую-щий осциллятор может быть связан с устранением молочной кис-лоты в метаболическом цикле Кори [218].

4.7. Образование и выделение СО2 при мышечной работе

СО2 образуется в процессе метаболической активности ра-ботающих мышц в строгом соответствии со значением RQ для окисляемых субстратов. При использовании углеводов в качестве основного субстрата для процессов тканевого окисления общее количество образующейся СО2 равно количеству потребляемо-го О2 (RQ=1). При окислении жиров количество образующейся СО2 составляет несколько меньшую фракцию от количества по-требленного О2. При смешанной углеводно-жировой диете значе-ние RQ в тканях здорового человека составляет около 0,75. При интенсивных физических нагрузках, когда в работающих мышцах значительно интенсифицируется анаэробный гликолиз, буфери-рование образующейся молочной кислоты при ее взаимодействии с содержащимися в тканях бикарбонатами Na приводит к образо-ванию избыточных по отношению к текущему метаболическому уровню количеств СО2, за счет которых регистрируемые в тканях значения RQ становятся выше 1,0: Метаболический CO2 H2O избыток CO2 ↑ ↑ HLa + NaHCO3 → ← NaLa + H2CO3. (4.8)

Молочная Бикарбонат Лактат Угольная кислота натрия кислота

Образующаяся в тканях CO2 переносится к легким с кровью в трех «транспортируемых» формах:

– в форме свободной CO2, находящейся в растворимом состоя-нии в плазме крови (около 5%);

– в форме карбаминовых соединений, образующихся с белка-ми плазмы крови и с гемоглобином в красных кровяных тельцах (около 20%);

– в форме бикарбонатов плазмы крови (около 75%).Соотношение различных форм CO2, транспортируемых с кро-

вью, представлено на рис. 4.34. Большая часть CO2 транспорти-руется кровью в виде бикарбонатов. Образующаяся в тканях CO2 взаимодействует с молекулами воды, образуя угольную кислоту:

CO2 + Н2О → Н2CO3. (4.9)


140

Рис

. 4.3

4. О

снов

ные

фор

мы

СО

2, т

ранс

порт

ируе

мой

с к

ровь

ю


141

В обычных условиях эта реакция происходит довольно мед-ленно, но ее скорость резко возрастает в присутствии карбоанги-дразы, содержащейся в красных кровяных тельцах. Под воздей-ствием этого фермента скорость образования угольной кислоты из CO2 и воды возрастает почти в 5000 раз. Пока эритроциты проходят по внутримышечным капиллярам, реакция образова-ния угольной кислоты из продуцируемой в тканях CO2 достигает своего равновесия. Образующаяся угольная кислота подвергается ионизации с образованием ионов водорода (Н+) и бикарбонатно-го иона (НCO3

–):

CO2 + Н2О → Н2CO3 → Н+ + НСO3–. (4.10)

Чтобы химически связать количества образующейся CO2, тка-ни должны располагать достаточно большой буферной емкостью. Большая часть образующихся ионов Н+ связывается белковым буфером, в составе которого наибольшая емкость обеспечивается гистидиновыми компонентами гемоглобина. Поскольку буфер-ная емкость гемоглобина в эритроцитах (около 60 мм/л/ед. рН) намного больше, чем буферная емкость белков плазмы (около 8 мм/л/ед. рН), то в них образуется больше НСO3

–, чем в плаз-ме. Из-за возникшего химического градиента НСO3

– переходит из эритроцитов в плазму, а для сохранения электронейтральности из плазмы в эритроциты переходят ионы Сl– (это так называемый хлоридный шунт).

В тканях образующаяся СO2 реагирует также непосредственно с аминокислотными группировками в составе белковых молекул, образуя карбаминовые соединения (карбаматы). Так, белковый компонент молекулы гемоглобина, на долю которого приходится до 20% общего количества СO2, переносимой кровью из тканей к легким, образует карбаминовое соединение в соответствии со сле-дующим уравнением:

СO2 + НbNН2 → НbNНCOO– + Н+. (4.11) Гемоглобин

Общее количество CO2, связываемой кровью, зависит от ее парциального давления в тканях (рис. 4.35). Как видно из при-веденного графика, количество химически связываемой CO2 в крови (особенно в форме НСO3

–) значительно превышает ее количества, находящиеся в физически растворенном состоянии. На кривую связывания CO2 кровью заметное влияние оказы-


142

вают такие факторы, как изменение рН, повышение температуры и степени оксигенации крови. Влияние этих факторов наиболее отчетливо проявляется на примере так называемых эффектов Бора и Холдейна.

Рис. 4.35. Количество СО2, связываемой кровью, в зависимости от парциального давления СО2 в тканях

Как уже отмечалось ранее (см. параграф 4.5), эффект Бора проявляется в уменьшении кислородсвязывающей способности гемоглобина (аффиности) под влиянием увеличения концентра-ции водородных ионов и рСО2

в плазме крови. Ионы водорода, образующиеся при диссоциации угольной кислоты, связываются с ионизированными группировками боковых цепей гемоглобина, чем затрудняют присоединение молекул кислорода к порфири-новым группировкам в составе геминового компонента молекул гемоглобина (аллостерический эффект). Проявление эффекта Бора может быть также напрямую связано с увеличением рСО2

в крови, оттекающей от работающих мышц. Повышение рСО2

сдвигает кривую связывания О2 гемоглобином вправо вместе с одновременным понижением рН. Влияние самих молекул СО

2

на кислородсвязывающую способность гемоглобина проявляется лишь в незначительной степени.

Эффект Холдейна так же, как и эффект Бора, основывается на особенностях аллостерического обмена молекулы гемоглобина. При высокой степени оксигенации крови кислород прочно свя-


143

зывается с гемом и этим облегчает образование карбаминовых связей СО

2 с аминогруппами протеиновых цепей гемоглобина,

поэтому оксгенированная кровь в тканевых капиллярах способ-на связывать большее количество СО

2, чем дезоксигенированная

кровь, переходящая в венозное русло.Эффекты Холдейна и Бора имеют большое значение для эф-

фективного газообмена при мышечной работе. Повышение пар-циального давления О2 в легких при альвеолярной вентиляции облегчает освобождение СО2 из химически связанного состоя-ния и ускоряет ее переход в физически растворимое состояние. Концентрации НСО3

– и карбамата понижаются, а рСО2 в веноз-

ной крови повышается настолько, что она быстро диффундиру-ет в альвеолярный воздух. В то же время поступление О2 в ткани с артеризованной кровью способствует связыванию СО2 с кровью и ее доставке в легкие.

Устранение СО2 из венозной крови осуществляется в процес-се альвеолярной вентиляции легких. Как известно, в процессе вентиляции легких в обмене газов между поступающим атмос-ферным воздухом и кровью принимает участие не весь объем вентилируемого воздуха, а только та его часть, которая достигает альвеолярной области легких. Оставшийся воздух заполняет так называемое дыхательное мертвое пространство (VD). Исходя из этого, можно утверждать, что обмен газов в легких осуществля-ется не столько за счет общей вентиляции легких (V·E), сколько за счет альвеолярной вентиляции (V·A). Альвеолярная вентиляция определяется путем вычитания из величины V·E объема мертвого пространства VD:

V·A = V·E – VD, (4.12)

или при известных значениях частоты дыхательных циклов (f) и глубины дыхания (VT):

V·A = f (VT – VD). (4.13)

Состав альвеолярного воздуха в норме относительно постоя-нен. Это постоянство его состава обеспечивается, с одной сторо-ны, непрерывным диффузонным обменом через альвеолярно-капиллярную мембрану и, с другой, происходящей альвеолярной вентиляцией. На рис. 4.36, где представлены значения парци-ального давления СО2 и О2 на различных этапах обмена газов в организме, видно, что в легочных альвеолах из-за высокой


144

Рис

. 4.3

6. И

змен

ения

пар

циал

ьног

о да

влен

ия О

2 и

СО

2 в

тка

нях

и ал

ьвео

лярн

ом в

озду

хе

на

разл

ичны

х эт

апах

обм

ена

газо

в в

орга

низм

е


145

диффундирующей способности двуокиси углерода артериально-альвеолярный градиент рСО2

оказывается близким к нулю. Так как артериальное напряжение СО2 (раСО2

) практически равно его напряжению в альвеолярном газе (рАСО2

), а последнее, в свою очередь, зависит от уровня альвеолярной вентиляции (V·A), можно считать, что раСО2

служит оценкой эффективности альвеолярной вентиляции. В норме раСО2

обычно составляет около 40 мм рт. ст.Общее количество СО2, устраняемой через легкие (V·СО2

), за-висит от концентрации СО2 в альвеолярном воздухе:

FАСО2 = рАСО2

/рВ, (4.14)

где FАСО2 – концентрация СО2 в альвеолярном объеме при усло-

вии, что вентиляционно-перфузионное отношение во всех частях легкого будет поддерживаться на постоянном уровне, а рВ – баро-метрическое давление.

При этих условиях можно считать, что концентрация СО2 во всем альвеолярном пространстве будет постоянной и, следова-тельно, общее количество выделяемой СО2 можно вычислить со-гласно следующему уравнению:

V·СО2 = V·A . рACO2

/рВ. (4.15)

Взаимосвязь общей и альвеолярной вентиляции с объемом выделяемой через легкие СО2 иллюстрирует рис. 4.37. На этом графике пространство, разделяющее кривые изменения V·E и V·A (заштрихованная область), определяет физиологическое мертвое пространство. Неоднородность отношения альвеолярной венти-ляции и перфузии в разных частях легкого, которая проявляется в условиях мышечной деятельности, приводит к увеличению от-ношения VD/VT и возрастанию уровня V·E, потребного для устра-нения заданного объема СО2 из легких. При гипервентиляции, которая сопровождает выполнение тяжелой мышечной работы, альвеолярная вентиляция в значительной степени избыточна по отношению к метаболической продукции СО2, при этом рАСО2

в альвеолах падает и развивается состояние выраженной гипо-капнии.

В условиях «рабочей» гипервентиляции легких рСО2 альвео-

лярного воздуха и артериальной крови заметно отклоняются от своих стандартных значений в состоянии покоя. Во время выпол-нения мышечной работы концентрация СО2 в крови и во всех ее накопителях в организме значительно понижается, а освобождае-


146

мая при этом СО2 выделяется в процессе легочной вентиляции. Пока выделение СО2 не завершится, оно будет превышать уровень поступления О2 в организм при работе. При этом респираторное отношение (V·СО2

/V·O2), связанное с уровнем вентиляции легких,

будет оставаться выше 1,0, и оно будет превосходить значение RQ, обусловленное уровнем рабочего метаболизма.

Рис. 4.37. Зависимость общей и альвеолярной вентиляции от объема СО2, выделяемой через легкие

В динамике выделения СО2 при мышечной работе обнаружи-вается много сходного с ранее описанной кинетикой потребления О2. Это хорошо прослеживается на графиках динамики V·СО2

иV·O2,

приведенных на рис. 4.38. Внезапное скачкообразное увеличение в кинетике СО2 на старте упражнения объясняется влиянием со стороны быстро нарастающей сердечной производительности. Следующая за этим незначительная задержка в выделении СО2 (на первых 15 с упражнения) связана с использованием бикар-бонатов для нейтрализации закисления внутримышечной среды, вызванного гидролизом КрФ на первых секундах работы [379]. Фаза быстрого экспоненциального возрастания в кинетике выде-ления СО2, сменяющая фазу начальной задержки, связана с на-растанием скорости освобождения СО2 в ходе аэробного метабо-лизма работающих мышц. На приводимом графике хорошо видно, что в этой фазе выделение СО2 происходит с относительно более медленной скоростью по отношению к увеличению скорости потребления О2. Это замедление в кинетике выделения СО2,

)


147

Рис. 4.38. Динамика выделения СО2 и потребления О2 при физических нагрузках разной мощности

помимо ее задержки при буферировании реакции гидролиза креа-тинфосфата, может быть связано также с проявлением эффекта Холдейна, когда гемоглобин дезоксигенированной капиллярной крови в работающих мышцах заметно понижает способность к связыванию СО2. После установления равновесия между скоро-стью потребления О2 и скоростью выделения СО2, которое дости-гается где-то в районе 40 с от старта упражнения, в дальнейшем выделение СО2 постепенно приближается к своему асимптоти-ческому уровню и здесь оно, как правило, превышает установив-шийся уровень потребления О2.

Общая картина изменений кинетики выделения CO2 при на-пряженной мышечной работе, где уровень относительной мощ-ности упражнения заметно превышает уровень критической


148

Рис. 4.39. Кинетика выделения СО2 в упражнениях разной относительной мощности и предельной продолжительности

мощности, соответствующей максимальному потреблению O2, представлена на рис. 4.39.


149

Рис. 4.40. Изменения величин прироста содержания бикарбонатов в крови и дыхательного коэффициента в зависимости от уровня потребления О2

при работе

В кратковременных упражнениях максимальной мощности наибольшее увеличение скорости выделения CO2 отмечается на первой минуте восстановительного периода после завершения упражнения, и эта «пиковая» скорость выделения CO2 снижается вместе с уменьшением относительной мощности выполняемого упражнения. Во всех других изученных видах напряженной мы-шечной деятельности (с предельным временем упражнения от 45 с и более) наивысшие значения скорости выделения CO2 обычно достигаются в конце выполнения упражнения, и эти скорости значительно выше, чем одновременно регистрируемые значения потребления O2, поэтому в условиях выполнения напряжен-ной мышечной работы значения дыхательного коэффициен-та заметно выше 1,0, где скорость выделения CO2 сравнивается со скоростью потребления O2.

Иллюстрацией этого может служить график, приведенный на рис. 4.40, где значения прироста дыхательного коэффициента


150

сопоставлены с соответствующими им значениями прироста уровня бикарбонатов в плазме крови [453]. Как нетрудно видеть на графике, значения прироста дыхательного коэффициента со-храняются на относительно постоянном уровне вплоть до тех пор, пока не будет достигнут уровень относительной мощности, соот-ветствующей порогу анаэробного обмена (≈50% max V·O2

). С этого момента значения прироста концентрации бикарбонатов в крови и соответствующие им значения прироста дыхательного коэф-фициента обнаруживают быстрое увеличение. Как правило, наи-высшие значения дыхательного коэффициента при выполнении

Рис. 4.41. Изменения дыхательного коэффициента в упражнениях разной относительной мощности и предельной продолжительности

R


151

упражнений, относящихся к диапазону напряженной мышечной деятельности, достигаются не во время упражнения, а на первых минутах восстановительного периода (рис. 4.41), что связано с за-медленным выходом образующейся молочной кислоты из рабо-тающих мышц в кровь и ее последующим буферированием бикар-бонатами крови [118].

Количество дополнительно выделяемой CO2 при распаде би-карбонатов в процессе буферирования образующейся при работе молочной кислоты определяется следующим выражением:

ЕхсСО2 = V· СО2

– Rпокоя · V· О2, (4.16)

где ЕхсСО2 – избыток выделяющейся CO2 при распаде би-

карбонатов (л/мин), V· СО2 – уровень выделения CO2 при ра-

боте (л/мин), Rпокоя – значение дыхательного коэффициента в условиях покоя.

Избыточное выделение CO2 при напряженной мышечной ра-боте тесно связано с приростом содержания бикарбонатов в кро-ви, как это можно видеть на графике регрессионной зависимости, приведенном на рис. 4.42. Общую картину динамики избыточ-ного выделения CO2 в упражнениях различной относительной

Рис. 4.42. Взаимосвязь увеличения содержания бикарбонатов в крови и уровня избыточного выделения СО2 при работе


152

Рис. 4.43. Динамика выделения неметаболического излишка СО2 в упражнениях разной относительной мощности и предельной

продолжительности


153

мощности иллюстрируют графики, представленные на рис. 4.43. Усиление скорости образования неметаболического излишка CO2, непосредственно связанное с образованием молочной кислоты в процессе работы, обнаруживается только по прошествии вре-мени, достаточного для заметного усиления гликолиза и выхода молочной кислоты в кровь (около 30–45 с от старта упражнения).

Определение скорости образования неметаболического из-лишка CO2 и его максимальных, пиковых, значений, обнаружи-вающихся после завершения упражнения, может быть исполь-зовано для оценки анаэробной работоспособности испытуемых и размеров метаболических нарушений при работе.

4.8. Метаболический ацидоз и феномен анаэробного порога при мышечной деятельности

Состояние метаболического ацидоза (закисления тканей) воз-никает в процессе мышечной работы как результат освобождения кислотных эквивалентов при усилении метаболической актив-ности работающих мышц. Из органических кислот, порождаемых в процессах тканевого метаболизма, наиболее сильное влияние на развитие метаболического ацидоза оказывает молочная кислота, образующаяся из пировиноградной в результате оксидоредукции на завершающейся стадии анаэробного гликолиза [136, 258, 356]. Среди неорганических кислот, попутно образующихся в ходе ре-акций внутритканевого обмена, заметное влияние на развитие метаболического ацидоза при мышечной работе оказывают орто-фосфорная и угольная кислоты [136, 402, 404].

При интенсивной мышечной работе скорость образования мо-лочной кислоты в процессе анаэробного гликолиза связана тесной зависимостью с относительной мощностью выполняемого упраж-нения, а предельное время работы до отказа является обратной функцией от значений прироста концентрации молочной кисло-ты за время упражнения. Наивысшие значения концентрации мо-лочной кислоты в крови у спортсменов высокой квалификации в условиях напряженной мышечной деятельности могут дости-гать 40–45 мМ, которые для нетренированных людей соответ-ствуют состоянию ацидотической комы [142, 221].

Непосредственными причинами, приводящими к образованию молочной кислоты при напряженной мышечной деятельности, могут быть:


154

– несоответствие скорости метаболического потока в системе гликолитического распада углеводов скорости кругооборота ве-ществ в цикле трикарбоновых кислот, обозначенное К. Вассерма-ном как перегрузка ЦТК [434];

– резкие изменения цитозольного редокс-состояния;– увеличенные частоты стимуляции работающих мышц выше

некоторого порогового значения, при котором значительно уси-ливается включение в активность быстрых мышечных волокон гликолитического типа (тип IIв);

– несоответствие скорости поставки О2 через капиллярную систему периферического кровотока уровню энергетического за-проса работающих мышц;

– уменьшение рО2 на клеточной мембране (капиллярного рО2)

ниже критического значения, при котором еще возможно поддер-жание рО2 в митохондриях работающих мышц на уровне, доста-точном для обеспечения необходимой скорости аэробного ресин-теза АТФ;

– наблюдаемые в условиях напряженной мышечной деятель-ности сдвиги кривой диссоциации оксигемоглобина (эффект Бора), при которых ухудшается транспорт О2 из капиллярной крови к митохондриям работающих мышц.

В условиях напряженной мышечной деятельности образова-ние молочной кислоты в процессе анаэробного гликолиза про-исходит со скоростью, большей чем устранение пирувата в ми-тохондриальном цикле трикарбоновых кислот [142, 221, 430]. По закону действующих масс любое относительное увеличение концентрации пирувата неизбежно должно сопровождаться столь же значительным увеличением цитозольной концентрации мо-лочной кислоты в работающих мышцах с последующим ее выхо-дом в кровь. В условиях обнаруживающегося дефицита в постав-ке О2 к работающим мышцам накапливающиеся в цитоплазме восстановленные количества НАДН+Н+

не могут быть быстро окислены за счет активации дыхательной цепи в митохондриях, и в этом случае для их окисления используется анаэробная редук-ция пирувата в лактат согласно следующему уравнению:

СН3СОСООН + НАДН+Н+ →

Пируват

→ СН3–СНОНСООН + НАД+. (4.17)

Снижение цитозольного редокс-состояния всегда будет при-водить к ускоренному образованию молочной кислоты по отно-


155

Рис. 4.44. Изменения концентрации пировиноградной и молочной кислоты в крови в зависимости от уровня потребления О2 (логарифмический график)

шению к имеющимся на данный момент количествам пирувата в цитозольном пространстве. Эту ситуацию в напряженно работа-ющих мышцах наглядно иллюстрирует рис. 4.44, заимствованный нами из работы К. Вассермана с сотр. [430].

На графике, где логарифмы концентраций пирувата и мо-лочной кислоты так же, как и логарифмы отношения [HLa]/[Pyr], отложены в виде функции log скорости потребления О2 при выполнении упражнения, образующиеся зависимости носят линейно-кусочный характер: при выполнении упражнений с не-высокой интенсивностью эти зависимости поддерживаются на постоянном (стационарном) уровне, но они резко меняют свой наклон, свидетельствуя о быстром увеличении концентраций вышеуказанных интермедиантов, как только логарифм скорости V·О2 превышает некоторый критический уровень. Этот уровень критического значения V·О2

, при котором обнаруживается резкое изменение скорости анаэробного образования лактата и показате-лей кислотно-щелочного равновесия в тканях, К. Вассерман [427] предложил обозначать как порог анаэробного обмена (АТ – anae-robic threshold), или, по-другому, лактатный порог (LT).

До значения АТ скорость образования молочной кислоты в ра-ботающих мышцах обычно составляет лишь несколько десятых долей от увеличения концентрации пирувата, и величина отноше-ния НLa/Pyr не увеличивается до тех пор, пока не будет превзой-


156

ден LT. Концентрация пирувата в мышцах нарастает постепенно с увеличением нагрузки до значения LT, и критическое значение V·О2

, при котором обнаруживается быстрое нарастание пирувата, расположено несколько выше LT, и сама скорость увеличения концентрации пирувата в области нагрузок, лежащих выше LT, меньше, чем скорость нарастания концентрации молочной кис-лоты. В соответствии с этим отношение НLa/Pyr также резко из-меняется в точке АТ и быстро возрастает вплоть до значений max V·О2

. Быстрое возрастание отношения НLa/Pyr свидетельствует об уменьшении скорости энергопродукции и увеличении отношения АДФ/АТФ в работающих мышцах [277, 282, 291, 292].

Одновременно отмечаемое увеличение концентрации молоч-ной кислоты и отношения HLa/Pyr дает основание утверждать, что при напряженной мышечной деятельности увеличение ско-рости образования молочной кислоты не является простым след-ствием закона действующих масс, а, скорее всего, происходит от сдвига равновесия лактатдегидрогеназной реакции из-за изме-нения отношения НАДН+Н+/НАД в цитозоле, т.е. из-за измене-ния редокс-состояния [382]. Преобразование пирувата в лактат на заключительной стадии гликолиза приводит к накоплению в цитозоле окисленных форм НАД+, что необходимо для продол-жения гликолитических превращений углеводов в анаэробных условиях.

Заметное влияние на скорость образования молочной кисло-ты при напряженной мышечной деятельности оказывает включе-ние в сократительную активность при достижении определенной частоты стимуляции мышечных волокон типа IIв. Эти волокна отличаются высоким содержанием гликогена и наличием высо-коактивных ферментов гликолиза [342]. Однако не существует прямых доказательств, что активность волокон типа IIв подвер-жена влиянию со стороны изменений степени оксигенации крови, как это имеет место в случае артериальной концентрации молоч-ной кислоты [406]. Имеющиеся экспериментальные данные ско-рее подтверждают, что основным механизмом, обусловливающим образование молочной кислоты в напряженно работающих мыш-цах, является снижение цитозольного редокс-состояния, сопро-вождаемое резким ускорением процесса анаэробного гликолиза. Образование молочной кислоты при мышечной работе возника-ет всякий раз, когда текущая поставка О2 с артериальной кровью к активно сокращающимся мышечным волокнам оказывается недостаточной для того, чтобы обеспечить поддержание необхо-


157

димого pО2 в митохондриях для аэробного ресинтеза АТФ с за-

данной скоростью. Как свидетельствуют экспериментальные ис-следования [150, 169, 453], в условиях напряженной мышечной деятельности такое напряжение О2 в митохондриях активно со-кращающихся мышечных волокон должно составлять не менее 3–5 мм рт. ст., а соответствующее этому pО2

на наружной клеточ-ной мембране (pО2

артеризованной капиллярной крови) должно быть порядка 15–20 мм рт. ст. [292]. Это значение pО2

капилляр-ной крови обычно обозначается как «критическое», при котором еще возможно поддержание максимальной скорости потребления О2 в процессе митохондриального дыхания [308, 429].

Для того чтобы обеспечить поддержание 15 мм рт. ст. в конеч-ной капиллярной крови, величина кровотока в мышцах должна составлять по меньшей мере около 6 л при уровне потребления О2 1 л/мин, полагая, что концентрация гемоглобина в крови достига-ет 15 г/100 мл и альвеолярное pО2

достаточно, чтобы обеспечить насыщение оксигемоглобина в артериальной крови до 95%. При этом около 1/6 общего количества О2, поступающего в работаю-щие мышцы, должно оставаться в венозной крови, покидающей внутримышечные капилляры.

Общая картина изменений pО2 крови, проходящей по мышеч-

ным капиллярам, представлена на рис. 4.45. Семейство кривых,

Рис. 4.45. Изменение напряжения О2 капиллярной крови в зависимости от длины дистанции между артериальными и венозными капиллярами

в скелетных мышцах человека


158

изображенное на представленном графике, отражает изменения pО2

в мышечных капиллярах при различных соотношениях вели-чины кровотока (Q·

m) и уровня потребления О2 (V·O2m) в работаю-щих мышцах при условии наличия концентрации гемоглобина в крови, равной 15 г/100 мл, и величины артериального pО2

около 90 мм рт. ст.

В представленной графической модели учитывается эффект Бора в работающих мышцах, возникающий из-за увеличения уровня аэробного метаболизма (от уменьшения рH капиллярной крови, вызванного увеличением образования СО2 при аэробном окислении), но без учета эффекта, происходящего от усиления анаэробного метаболизма (ацидоз, сопровождающий образование молочной кислоты). Отношение мышечного кровотока к уровню потребления О2 должно быть выше, чем 5:1, чтобы не допустить развития состояния общего анаэробиоза в работающих мышцах и развития лактатного ацидоза, поскольку при этом pО2

на концах мышечных капилляров будет иметь значения, меньшие критиче-ского pО2

, еще до того, когда мышечный кровоток достигнет ве-нозной области капиллярного ложа.

Метаболический ацидоз, сопровождающий образование мо-лочной кислоты, является вторичным состоянием по отношению к тканевой гипоксии, развивающейся при напряженной мышеч-ной деятельности. Он возникает лишь тогда, когда pО2

на концах мышечных капилляров становится меньше критического pО2

, обеспечивающего потребности аэробного метаболизма в рабо-тающих мышцах [300, 434]. Согласно представленной модели, капиллярное pО2

не должно снижаться ниже критического значе-ния около 15 мм рт. ст., чтобы обеспечить поддержание заданного уровня работы. Если мощность выполняемого упражнения про-должает увеличиваться после того, как будет достигнуто крити-ческое pО2

на концах мышечных капилляров, митохондриальное pО2 уже не сможет поддерживать аэробное производство АТФ на максимальном уровне, и этот дефицит аэробной энергопродук-ции будет восполняться соответствующим усилением анаэробно-го метаболизма, связанного с образованием молочной кислоты.

Капиллярное pО2 в работающих мышцах может быть неодно-

родным, но отношение мышечного кровотока и метаболического уровня (Q·

m/V·О2m) должно сохраняться постоянным во всей об-ласти, от наивысших значений pО2

в артериальной части капил-лярного ложа до их наименьших значений на концах венозных


159

капилляров. В модели также предполагается, что отношение Q·

m/V·O2m в мышцах не снижается ниже 6 и что образование молоч-ной кислоты при работе в этих условиях не происходит. В реаль-ной действительности эти исходные предпосылки обсуждаемой модели не в полной мере соответствуют экспериментальным фак-там. Когда упражнения выполняются с интенсивностью выше LT, ускорение аэробного и анаэробного метаболизма в работающих мышцах происходит одновременно: О2, доставляемый кровото-ком, потребляется в мышечных волокнах, расположенных вблизи конечной области артериальных капилляров, а молочная кислота освобождается в основном из активно сокращающихся мышечных волокон, расположенных в области конечных венозных капилля-ров [221]. В работающих скелетных мышцах, если потребность в увеличении скорости ресинтеза АТФ превышает возможность увеличения внутримышечного кровотока, напряжениe О2 на кон-цах мышечных капилляров должно снижаться. При выполнении упражнения с высокой интенсивностью для поддержания скоро-сти аэробного метаболизма на достаточно высоком уровне капил-лярное pО2

должно оставаться выше критического значения [457]. Это необходимо для того, чтобы обеспечить «накачку» О2 в рабо-тающие мышцы с необходимой скоростью и преодолеть сопротив-ление диффузионных сред на пути от эритроцитов, находящихся в мышечных капиллярах, к митохондриям, где О2 потребляется в процессе аэробного окисления.

Как свидетельствуют результаты экспериментов с прогрес-сивно увеличивающейся нагрузкой в работе на велоэргометре, где выполнялись прямые измерения pО2

и концентрации окси-гемоглобина в пробах крови, взятой из артерии и феморальной вены [406, 429, 434], pО2

в конечной области капиллярного ложа работающих мышц достигает своих наименьших значений, со-ответствующих критическому pО2

, еще до того, как обнаружи-вается начало быстрого накопления молочной кислоты в крови (рис. 4.46). Когда pО2

в крови конечных капилляров работающих мышц достигает критического значения около 15 мм рт. ст., в со-кращающихся мышечных волокнах активизируется анаэробный гликолиз и увеличивается концентрация молочной кислоты. Под-тверждением концепции К. Вассермана о том, что наименьшие значения pО2

в венозной крови, достигаемые во время напряжен-ной мышечной работы, соответствуют значениям LT, могут слу-жить результаты исследований, выполненных в его клинике [406],


160

где пятеро здоровых испытуемых выполнили два вида упражне-ний – одно на уровне 30% значений LT (в среднем около 113 Вт, V.О2

=1,76 л/мин) и второе – выше LT, на уровне около 75% max V.О2

(нагрузка 265 Вт, V

.О2

= 3,36 л/мин). Результаты этих исследова-ний представлены на рис. 4.47.

Рис. 4.46. Изменения рО2 и рН в крови феморальной вены в зависимости от времени выполнения упражнения с мощностью выше и ниже порога

анаэробного обмена

Как видно на левой панели рис. 4.47, pО2 венозной крови быстро

снижается на первых 30–60 с после начала работы как при уме-ренной, так и при высокой мощности упражнения. Достигнутое при этом критическое pО2

поддерживается неизменным в течение

Рис. 4.47. Изменения рО2 и концентрации молочной кислоты

в венозной крови при выполнении упражнения со ступенчато повышающейся мощностью


161

всего времени упражнения, несмотря на значительные различия в мощности и уровне стационарного потребления О2. В отличие от этого степень насаждения оксигемоглобина в венозной крови продолжает снижаться на всем протяжении времени работы и по-сле того, как рО2

в концевых капиллярах работающих мышц дости-гает постоянного наименьшего значения (критического уровня). Изменения степени оксигенации гемоглобина венозной крови после 1–2 мин работы близко воспроизводят изменения, наблю-даемые в динамике рН венозной крови, и это более заметно при выполнении упражнения с высокой мощностью (>LT). Снижение степени оксигенации венозной крови ниже 25% может быть об-условлено эффектом Бора (закислением капиллярной крови, про-ходящей через работающие мышцы).

Молочная кислота, образующаяся во время напряженной мы-шечной работы, подвергается буферированию за счет внутрикле-точных резервов НСО–

3, при этом выделяется дополнительное количество СО2 сверх того уровня, который обусловлен ее обра-зованием в процессе аэробного метаболизма. Это избыточное вы-деление СО2, обозначаемое как ЕхсСО2, может рассматриваться в качестве индикатора переходного состояния от преимуществен-но аэробного характера рабочего метаболизма к анаэробному ме-таболизму, связанному с образованием значительных количеств молочной кислоты и выраженным закислением внутренних сред организма. Так же, как и изменения концентрации молочной кислоты и показателей кислотно-щелочного равновесия крови, точные определения ЕхcСО2 могут быть использованы для диаг-ностики уровня физической работоспособности человека и мо-ниторинга анаэробных изменений в организме при выполнении упражнений различной мощности и продолжительности. Сни-жение концентрации НСО3

– и увеличение рСО2 в венозной крови

ведет к закислению капиллярной крови вблизи мышечных воло-кон, образующих молочную кислоту. Развитие лактатного аци-доза сопровождается сдвигом кривой оксигенации гемоглобина, что способствует увеличению скорости экстракции О2 и поддер-жанию высокого градиента рО2

, необходимого для «накачки» О2 в работающие мышцы. Это означает, что при выполнении работы, кислородный запрос которой превышает уровень LT, увеличение скорости экстракции О2 из оксигемоглобина капиллярной крови зависит от увеличения концентрации Н+ в работающих мышцах. Значения рК для молочной кислоты, образующейся в работаю-


162

щих мышцах, составляет примерно 3,9, и это означает, что при величине рН, достигаемой при напряженной мышечной работе (рН≈7,0), она находится в полностью диссоциированном состоя-нии. Буферирование вновь образующихся количеств Н+ происхо-дит за счет внутриклеточных резервов НСО3

–. На 1 мM молочной кислоты, подвергающейся буферированию за счет НСО3

–, будет образовываться примерно 22,3 мл СО2 выше того уровня, кото-рый обусловлен усилением аэробного метаболизма. Увеличение цитозольной концентрации лактата и уменьшение содержания в мышечных клетках НСО3

– способствует трансмембранному обмену этих ионов, что приводит к уменьшению концентрации НСО3

– в крови в строгом соответствии с увеличением концентра-ции лактата (рис. 4.48).

Рис. 4.48. Изменения концентрации молочной кислоты и величины снижения содержания бикарбонатов в крови при работе на велоэргометре

со ступенчато повышающейся мощностью

Отмечено [377, 433], что на первых 10–20 с от начала выпол-нения напряженной мышечной работы, когда еще не обнаружи-вается сколь-либо заметного уменьшения содержания НСО3

–

и увеличения концентрации молочной кислоты в крови, в рабо-тающих мышцах отмечается быстро развивающийся алкалоз, вы-званный гидролизом креатинфосфата. Этот метаболический ал-калоз, проявляющийся в начальной фазе напряженной работы, маскирует собой начало развития метаболического ацидоза, вы-званного образованием молочной кислоты. Следовательно, лак-татный порог, устанавливающийся при уровне V·

O2, при котором

,


163

отмечается быстрое увеличение содержания молочной кислоты в крови, обнаруживается несколько ранее, чем происходит исчер-пание бикарбонатных резервов и обнаруживаются явные призна-ки наступающего метаболического ацидоза. Следовательно, порог лактатного ацидоза локализуется на несколько более высоком уровне V·

О2 по сравнению с LT. Порог лактатного ацидоза (LAT)

отличается от LT только по методологии его установления: LT определяется по реальным измерениям увеличения концентрации лактата в артериальной крови, в то время как LAT определяется по уменьшению содержания НСО3

– в артериальной крови или по показателям ЕхсСО2, образующегося при буферировании молочной кислоты. Следует также отметить, что LT и LAT тесно взаимосвязаны и концептуально характеризуют одно и то же фи-зиологическое состояние организма, но в количественном выра-жении они несколько расходятся.

Основной постулат концепции анаэробного порога (АТ) сво-дится к утверждению, что образование молочной кислоты в ра-ботающих мышцах не происходит до тех пор, пока поступление О2 не достигнет критического уровня, соответствующего макси-мальной скорости аэробного обмена в митохондриях активно со-кращающихся мышечных волокон [431]. Этот анаэробный порог, устанавливаемый по увеличению концентрации молочной кисло-ты в крови, по изменению содержания артериальных НСО3

–, по скорости образования излишка СО2 при буферировании молоч-ной кислоты или по изменению показателей кислотно-щелочного равновесия крови, соответствует определенному уровню V·

О2

(% индивидуального max V·O2

), при котором достигается критиче-ское рО2

в капиллярной крови при данном уровне работы.Основной причиной развития метаболического ацидоза, со-

провождающего образование молочной кислоты, является воз-никновение тканевой гипоксии при напряженной мышечной работе [32, 169]. Об этом, в частности, свидетельствует тот факт, что отношение La/Ру в работающих мышцах, которое может служить оценкой внутриклеточного редокс-состояния, увеличи-вается с возрастанием мощности упражнения начиная с уровня лактатного порога [396, 430]. Определение концентрации лактата и пирувата в артериальной крови у испытуемых, выполняющих упражнения с прогрессивно возрастающей мощностью, также показывает, что отношение La/Py в артериальной крови возрас-тает при достижении лактатного порога [36]. Величина отноше-


164

ния НАДН+Н+/НАД+ в цитозоле работающих мышц зависит от митохондриального редокс-состояния, которое регулируется дея-тельностью шунтирующих переносчиков на митохондриальной мембране. Любые нарушения в доставке О2 к митохондриальным центрам окисления неизбежно приводят к замедлению скорости окисления в цитозольной системе НАДН+Н+→ НАД+ и увеличе-нию отношения La/Py в саркоплазме работающих мышц.

Образование молочной кислоты при анаэробном гликолизе за-висит от степени оксигенации крови [8, 29, 70–78]. Увеличение концентрации О2 в артериальной крови при выполнении упраж-нений с мощностью, превышающей значение LT, ведет к сниже-нию содержания лактата в артериальной крови, а уменьшение сте-пени оксигенации крови, поступающей к работающим мышцам, сопровождается увеличением содержания лактата.

Момент выхода на уровень АТ при выполнении упражнений с возрастающей мощностью наиболее точно отслеживается по изменениям показателей «рабочего» газообмена. Как видно на графиках динамики респираторных и метаболических показате-лей, приведенных на рис. 4.49, показатели V·

О2, V·

СО2 и V·

Е линейно увеличиваются во всем диапазоне умеренной мощности нагру-зок, пока не будет достигнут уровень АТ и разовьется лактатный ацидоз. При мощности упражнения выше LAT выделение СО2 происходит быстрее, чем растет потребление О2, поскольку при этих нагрузках выделяются дополнительные количества СО2 при буферировании образующейся молочной кислоты в тканях. При достижении LAT уровень легочной вентиляции (V·

Е) увеличивает-ся в строгой пропорции к увеличению скорости выделения СО2 (изокапническое буферирование), вентиляционный эквивалент для СО2 сохраняется постоянным или даже несколько понижа-ется при наблюдающемся возрастании вентиляционного эквива-лента для О2. При дальнейшем увеличении мощности выполняе-мого упражнения уровень легочной вентиляции возрастает более быстро, чем увеличивается выделение СО2, и это сопровождает-ся снижением величины напряжения СО2 в артериальной крови (раСО2

) и в конечном альвеолярном воздухе (рETСО2). Это «избы-

точное» по отношению к выделению СО2 увеличение легочной вентиляции отражает явление вентиляционной компенсации ме-таболического ацидоза, вызванного образованием молочной кис-лоты при тяжелой работе. Наблюдающееся при этом увеличение концентрации Н+ стимулирует активность каротидных тел, что и приводит к увеличению вентиляционного ответа.


165

Кинетическая кривая для V·CO2

увеличивается с большей ско-ростью, чем соответствующая кривая для V·

O2, и ее наклон превы-

шает 1,0. Точка перекреста кинетических кривых для V·CO2

и V·O2

Рис. 4.49. Динамика газометрических и метаболических показателей при выполнении упражнений с повышающейся мощностью

,

,


166

строго соответствует АТ и LAT, что подтверждается соответству-ющим увеличением концентрации молочной кислоты в артери-альной крови и снижением StdНСО3

– (рис. 4.50). На основе этих фактов К. Вассерманом с сотр. [119] был предложен графический метод определения АТ (метод перекреста, или V-наклон). На гра-фике, где уровень выделения СО2 отложен как функция скоро-сти потребления О2 (левая панель на рис. 4.50) при выполнении упражнения с умеренной мощностью, наклон линии регрессии составляет менее 1,0, т.е. СО2 выделяется с меньшей скоростью, чем потребляется О2, доставляемый с кровью в работающие мыш-цы, поскольку значение дыхательного коэффициента (R) для окисляемых субстратов здесь меньше единицы. При выполнении тяжелой мышечной работы наклон линии регрессии становится больше 1,0, свидетельствуя о достижении уровня АТ или LAT. Бо-лее высокая скорость выделения СО2 при нагрузках, превышаю-щих уровень АТ, отражает добавочное выделение СО2 при буфе-рировании молочной кислоты за счет бикарбонатных резервов в работающих мышцах.

Рис. 4.50. Изменения уровня выделения СО2, концентрации молочной кислоты и стандартных бикарбонатов в крови в зависимости от уровня

потребления О2 при возрастающей мощности упражнения

Исходя из вышеизложенных фактов, можно утверждать, что физиологический феномен анаэробного порога во всех его проявлениях (АТ, LT, LAT, OBLA) отражает переход от преиму-щественно аэробного характера биоэнергетических процес-сов, обеспечивающих мышечную деятельность, к смешанному аэробно-анаэробному характеру «рабочего» метаболизма. Этот метаболический переход может служить количественной оценкой аэробной эффективности, т.е. показывать, сколь долго обследуе-мый субъект может продолжать работу без значительного уси-


167

ления анаэробного гликолиза, поддерживая требуемый уровень аэробного метаболизма за счет эффективного использования О2, поставляемого в работающие мышцы. Ниже перечислены основ-ные физиологические критерии, с помощью которых можно диа-гностировать достижение анаэробного порога при выполнении упражнений с увеличивающейся мощностью. Среди показателей, характеризующих достижение АТ, прежде всего следует отметить эргометрические критерии, связанные с проявлением выносли-вости при напряженной работе, метаболические характеристики систем транспорта О2 к работающим мышцам, а также показате-ли, отражающие сохранение важных гомеостатических величин в пределах, обеспечивающих возможность совершения заданной работы.

Критерии достижения уровня физической нагрузки, соответствующей порогу анаэробного обмена

(по К. Вассерману с сотр. [432])1. Ускорение использования внутримышечных запасов глико-

гена в процессе анаэробного ресинтеза АТФ.2. Снижение показателей выносливости (предельного времени работы).3. Развитие метаболического ацидоза.4. Увеличение экстракции О2 из притекающей крови под влия-

нием эффекта Бора и уменьшение капиллярного рО2.

5. Увеличение концентрации К+, Na+, Cl– в плазме крови.6. Повышение гемоконцентрации.7. Увеличение образования промежуточных метаболитов, та-

ких как глицерофосфат, пируват, аланин.8. Выделение избыточного (по отношению к уровню аэробного

метаболизма) СО2.9. Замедленное достижение стационарного уровня V·

О2.

10. Увеличение уровня «избыточной» легочной вентиляции.11. Увеличение содержания катехоламинов в крови.12. Ускоренное образование вторичных метаболитов.

Помимо факторов, непосредственно определяющих взаимо-отношения аэробного и анаэробного метаболизма при мышечной работе, наиболее значительное влияние на процесс образования молочной кислоты оказывает увеличение концентрации Н+ в ка-пиллярной крови, куда переходит лактат из работающих мышц.


168

Как уже отмечалось ранее, этот механизм обусловливает значи-тельный сдвиг вправо кривой оксигенации гемоглобина, при ко-тором заметно увеличивается рО2

артериальной крови и достигает максимальных значений артериовенозная разница в содержании О2 [428]. Диссоциация оксигемоглобина при выполнении рабо-ты выше АТ происходит как результат эффекта Бора, вызванного увеличением содержания молочной кислоты в крови. Для усиле-ния экстракции О2 из притекающей крови в работающих мышцах должно снижаться pО2

и увеличиваться концентрация Н+. Сни-жение pО2

в работающих мышцах оказывает заметное влияние на положение кривой диссоциации оксигемоглобина при нагрузках ниже АТ, а увеличение концентрации Н+ имеет наибольшее значе-ние при нагрузках, превышающих уровень АТ. На концах артери-альных капилляров при увеличенном потреблении О2 величина рО2

в капиллярной крови понижается, что приводит к диссоциа-ции оксигемоглобина в притекающей к мышцам крови. По мере снижения рО2

, как только будет достигнуто его критическое зна-чение, необходимое для поддержания требуемой скорости диф-фузии, в мышечных волокнах усиливается процесс образования молочной кислоты. При этом концентрация Н+ в капиллярной крови быстро увеличивается, так как образующаяся молочная кислота будет буферироваться бикарбонатами с образованием избыточных количеств СО2. Одновременно с этим повышение содержания НСО3

– в капиллярной крови будет использоваться мышечными клетками для осуществления реакций внутрикле-точного обмена молочной кислоты. Совокупность всех этих пре-вращений способствует лучшей экстракции О2 из притекающей к мышцам крови и обеспечивает достижение высоких величин максимального потребления О2.

Предложенные способы определения АТ и его различные рас-четные модификации, служащие для количественной характери-стики происходящей смены метаболического состояния в рабо-тающих мышцах при резком усилении анаэробного гликолиза, позволяют с различной точностью устанавливать специфические моменты в развитии этого состояния. На рис. 4.51 представлены все предложенные к настоящему времени расчетные показате-ли, характеризующие отдельные моменты динамики перехода от преимущественно аэробного обеспечения совершаемой мы-шечной работы к смешанному аэробно-анаэробному характе-ру биоэнергетического обеспечения со значительным участием


169

анаэробного гликолиза. Основной критерий достижения уровня анаэробного порога (АТ) определяется значением V·

О2, при кото-

ром скорость аэробного ресинтеза АТФ становится недостаточ-ной для полного удовлетворения энергетического запроса работы, что приводит к снижению цитозольного редокс-состояния и уско-рению реакций анаэробного гликолиза, связанных с образовани-ем молочной кислоты в работающих мышцах.

Общая последовательность событий в динамике феномена анаэробного порога выглядит следующим образом:

1. Увеличение уровня мощности выполняемого упражнения приводит к заметному расхождению между скоростью доставки О2 к работающим мышцам и уровнем их кислородного запро-са при максимальной интенсификации митохондриального ды-хания. Значения рО2

в притекающей капиллярной крови не до-стигают критического уровня, обеспечивающего необходимую скорость диффузии О2 к центрам митохондриального дыхания, что приводит к снижению цитозольного редокс-состояния и ин-тенсифицирует образование молочной кислоты в реакциях анаэ-робного гликолиза. На рис. 4.51 этому состоянию соответствует

Рис. 4.51. Изменения уровня легочной вентиляции, потребления О2, прироста вентиляционных эквивалентов для О2 и СО2, уровня

молочной кислоты в крови в критических режимах мышечной работы (аэробный порог, порог анаэробного обмена, значение OBLA,

критическая мощность)

a


170

крайняя левая вертикаль, указывающая интенсивность нагрузки, при которой впервые обнаруживается неадекватность аэробного ресинтеза АТФ в митохондриях работающих мышц и начинает продуцироваться молочная кислота. Эта нагрузка обозначается как аэробный (АеТ) или лактатный (LT) порог.

2. Снижение цитозольного редокс-состояния приводит к уве-личению концентрации НАДН+Н+ в цитозоле, при этом в реакции оксидоредукции между пировиноградной кислотой и НАДН+Н+ образуются молочная кислота и окисленная форма НАД+, что обеспечивает поддержание высокой скорости гликолитического распада углеводов. Образующаяся молочная кислота подвергает-ся буферированию за счет внутриклеточных резервов НСО3

–, что ведет к увеличению концентрации Н+ в цитозоле и развитию ме-таболического ацидоза в работающих мышцах. На рис. 4.51 этому соответствует направленная вниз стрелка с обозначением LАТ – порог лактатного ацидоза.

3. Образующиеся при распаде бикарбонатов дополнительные количества СО2 (ЕхсСО2) вызывают заметные изменения в ха-рактере легочного газообмена; скорость выделения СО2 при этом заметно превышает уровень потребления О2. При нагрузках с по-вышающейся мощностью кинетические кривые потребления О2 и выделения СО2 пересекаются в точке, соответствующей порогу анаэробного обмена (АТ), который диагностируется с использова-нием расчетного метода перекреста.

4. Развивающийся метаболический ацидоз с накоплением зна-чительных количеств молочной кислоты в активно сокращаю-щихся мышечных волокнах сопровождается повышением актив-ности каротидных тел и резким возрастанием уровня легочной вентиляции (респираторная компенсация метаболического аци-доза). Этому состоянию на рис. 4.51 соответствует направленная вниз стрелка, расположенная правее вертикали АТ (V·

EТ – венти-ляционный порог, устанавливаемый по величине «избыточного» прироста легочной вентиляции).

5. Крайняя правая вертикаль, ограничивающая зону метаболи-ческого перехода от преимущественно аэробного ресинтеза АТФ к смешанному со значительным вкладом анаэробного гликолиза, обозначается как начало быстрого образования молочной кисло-ты (ОВLА). Выше этого значения любое сколь-либо заметное уве-личение мощности выполняемого упражнения сопровождается пропорциональным увеличением скорости образования молоч-ной кислоты в реакциях гликолитической оксидоредукции.


171

4.9. Заключение

Проведенный в данной главе анализ взаимоотношений, скла-дывающихся в процессе мышечной работы между метаболиче-скими превращениями в активно сокращающихся мышечных во-локнах и изменениями в системах циркуляции крови и легочной респирации, убедительно доказывает, что углубленные исследо-вания процессов метаболизма и газообмена в процессе мышечной работы могут быть исключительно важным источником точных количественных данных, позволяющих оценить состояние здоро-вья и физической работоспособности человека. Использование на практике современной экспериментальной техники, с помощью которой становится возможным производить быстрые непрерыв-ные измерения метаболических и кардиореспираторных функций при мышечной работе, позволяет нам в значительной степени приблизиться к решению этой проблемы.


172

ГЛАВА 5

Динамика и особенности регуляции респираторных функций при мышечной работе

Эффективность сопряжения между процессами тканевого и ле-гочного дыхания хорошо прослеживается в динамике респира-торных функций при выполнении мышечной работы. Высокая степень сопряженности между процессами дыхания, происходя-щими на разных уровнях человеческого организма, достигается за счет усиления активности регуляторных механизмов, направ-ленных на достижение необходимого соответствия запроса ис-полняемого упражнения и газообменных изменений на каждом участке сопряженной кардиореспираторной системы.

В настоящей главе мы попытаемся обобщить результаты не-давних исследований по изучению реакций системы легочного дыхания на воздействие различного вида физических упраж-нений, которые позволяют, как нам кажется, выявить основные кинетические особенности респираторного ответа у человека на градуально возрастающие в показателях мощности и предельной продолжительности мышечные нагрузки.

5.1. Изменения вентиляторного паттерна и механики дыхания при мышечной работе

Рабочее гиперпноэ, которое сопровождает мышечную деятель-ность, связано с неизбежным увеличением энергозатрат на работу дыхания [56, 348, 391]. Эти энергозатраты растут в нелинейной зависимости от уровня V· E (рис. 5.1), т.е. каждый дополнительный литр вентилируемого воздуха требует все больших энергозатрат организма, которые могут возрасти по сравнению с условиями по-коя в 60 с лишним раз [186]. Поскольку форсированное дыхание,


173

где почти всегда участвует реберная и вспомогательная респира-торная мускулатура, биомеханически связано с фиксацией плече-вого пояса, напряженная работа руками при прочих равных усло-виях требует больших затрат на вентиляцию, чем работа нижними конечностями.

Рис. 5.1. Кислородная стоимость респирации при напряженной мышечной работе (по Дж. Демпси и др. [186])

Увеличение энергетической стоимости легочной вентиляции происходит за счет увеличения обоих компонентов сопротивле-ния дыханию – как эластического, так и неэластического, в зави-симости от того, какие изменения претерпевает паттерн дыхания [11].

При небольших нагрузках интенсификация дыхания может осуществляться исключительно за счет его углубления, причем дыхательный объем увеличивается главным образом за счет аб-доминального его компонента [72]. Это ведет к уменьшению доли мертвого пространства в дыхательном объеме (коэффициент VD/VT), которая снижается с величины 1:3 в покое до 1:10 при тя-желой нагрузке.

При выполнении упражнений, где уровень нагрузки превыша-ет значение порога анаэробного обмена (>50% max V·О2

), отноше-ние VD/VT значительно возрастает, и в этих условиях строго ли-нейная зависимость прироста V·E в ответ на увеличение V·О2

уже не сможет обеспечить поддержание постоянства рН в артериальной крови при снижении раСО2

, вызванного развитием метаболическо-го ацидоза. При таких нагрузках зависимость V·E –V·СО2

становится нелинейной, а значение раСО2

уже не будет строго регулируемой величиной. Это означает, что физиологические механизмы, ответ-


174

ственные за регуляцию дыхания, заметно различаются в упражне-ниях, относящихся к различным диапазонам относительной мощ-ности упражнения.

Следует также отметить, что, как правило, при увеличении тя-жести нагрузки происходит учащение дыхания за счет сокращения экспираторной фазы с соответствующим увеличением «полезно-го цикла» – отношения длительности вдоха к длительности всего дыхательного цикла (TI/TT). При тяжелой работе учащение ды-хания, достигающее 50–70 цикл/мин, может стать единственным путем, обеспечивающим требуемый рост легочной вентиляции: как указывалось в гл. 1, по мере увеличения дыхательного объема все большая доля энергозатрат на работу дыхания приходится на преодоление эластического сопротивления растягиваемых при глубоком вдохе легких. По мере приближения дыхательного объе-ма к значениям ЖЕЛ дальнейшее углубление дыхания становится и вовсе невозможным, и человек может его только учащать, хотя при этом неизбежно растет резистивное сопротивление быстрым потокам в воздухоносных путях. В любом случае всякий раз, при-ступая к выполнению упражнения, каждый человек, особенно если это тренированный спортсмен, избирает при адекватной для него нагрузке энергетически оптимальный паттерн дыхания.

При этом наблюдается определенная связь индивидуальных осо-бенностей реакций на мышечную нагрузку с базальным паттерном дыхания того или иного человека [11, 55]. У тахипноиков растет как частотный (укорочение выдоха), так и объемный (углубление дыхания) компонент легочной вентиляции, причем последний – пропорционально мощности нагрузки, поскольку они располага-ют значительным резервом для увеличения дыхательного объема. У брадипноиков же включение нагрузки, даже незначительной, сопровождается ступенеобразным увеличением дыхательного объ-ема, который, однако, с повышением ее интенсивности почти не меняется ввиду энергетической невыгодности углубления дыхания у данной категории испытуемых; дальнейший рост МОД достигает-ся путем роста частоты дыхания за счет укорочения преимуществен-но экспираторной фазы дыхательного цикла. Знаменательно, что при тяжелой мышечной нагрузке паттерны дыхания у тахи- и бра-дипноиков сближаются между собой. В самом деле, не только брадипноику, но и тахипноику, после того как его дыхательный объем достигнет примерно половины ЖЕЛ, становится трудно преодолевать возросшее эластическое сопротивление растянутых


175

легких, и он «включает» частотный компонент увеличения ле-гочной вентиляции. Происходит нивелировка индивидуальных различий во вкладах эластического и неэластического сопро-тивления дыханию перед лицом экстремального гиперпноэ, ко-торое требует максимальной энергетической оптимизации струк-туры дыхательного цикла [139].

Очень важно влияние, которое оказывает на паттерн дыхания характер физической работы. Например, ходьба под гору сопро-вождается втрое большей частотой дыхательных циклов, не-жели подъем на гору, вопреки гораздо меньшей величине по-требления кислорода; данный феномен приписывают механизму обратной связи, действующему при уменьшении дыхательных объемов [178]. В целом увеличение скорости ходьбы связано с тенденцией к учащению дыхания [171, 178, 307]. Бег сопровож-дается по сравнению с ходьбой (разумеется, при одном и том же уровне потребления кислорода!) большим учащением и меньшим углублением дыхания [204, 309, 450]. Спортсмены, тренирующиеся главным образом на быстроту (спринтеры), при стандартной физи-ческой нагрузке преимущественно учащают дыхание, а развиваю-щие у себя выносливость (лыжники) – увеличивают дыхательный объем [100, 285, 314].

Особого внимания заслуживает явление координации, а точнее – сцепления («втягивания» – entrainment) дыхательных циклов с «рабочими» циклами [353]. Так, 50% неспортсменов при ходьбе на тредмиле координируют свое дыхание с ритмом шагов, что объ-ясняется возбуждающим влиянием произвольных движений на центральный дыхательный механизм [307].

Нельзя, однако, исключить и прямое, биомеханическое облег-чающее влияние локомоций на дыхательный акт [116]. Известно, что в спортивных упражнениях выдох сочетается с наибольшим усилием, а вдох – с относительным расслаблением [50]. В таких же видах спорта, как плавание и гребля, связанных с работой мышц плечевого пояса, координация рабочих и дыхательных движе-ний становится обязательной именно в силу действия факторов биомеханического порядка [88]. Известно также, что подобная координация особенно выражена, когда человек выполняет при-вычную для него работу. В частности, фазовое сцепление между ритмом педалирования на велоэргометре и дыханием наблюдали среди профессиональных велогонщиков гораздо чаще, чем среди не занимающихся велоспортом, причем у большей части вело-


176

сипедистов начало вдоха было сопряжено с началом движения одной из ног, а выдох начинался в середине сокращения мышц каждой ноги [299].

В биомеханической адаптации респираторной системы к фи-зической нагрузке участвуют и факторы, способствующие умень-шению сопротивления дыханию в воздухоносных путях. Так, во время работы уменьшается сужение голосовой щели на выдохе. Градуально, в соответствии с мощностью нагрузки, увеличива-ется бронхиальная проходимость, ибо сопутствующее углубле-ние дыхания вызывает рефлекторную бронходилатацию [147]. Наконец, во время очень напряженных упражнений, например бега, человек переходит на носоротовое или ротовое дыхание, что сразу снижает аэродинамическое сопротивление потокам воздуха на треть [50].

В целом описанные перестройки дыхания способствуют уменьшению энергетической стоимости и повышению эффектив-ности легочного газообмена [181, 465].

5.2. Кинетика респираторных функций при мышечной работе

В кинетике показателей легочной вентиляции при мышечной работе отчетливо выявляются три фазы с различным характером и скоростью развития респираторного ответа на усиление мышеч-ной активности (рис. 5.2).

Уже непосредственно перед началом работы отмечается за-метное усиление вентиляции легких, обычно более выраженное у лиц, имеющих опыт тренировки в избранном виде упражнений (см. рис. 5.2). Эта упреждающая рефлекторная реакция обусловли-вает быстрое развитие адаптационного ответа со стороны системы легочной респирации на предполагаемую мышечную работу [101].

На старте упражнения уровень легочной вентиляции, как пра-вило, в 2–3 раза выше уровня покоя. В первые 15–20 с после начала работы предстартовое увеличение легочной вентиляции удержи-вается на относительно постоянном уровне (в действительности, как это можно видеть на рис. 5.3, на этом отрезке времени в ки-нетике V· E отмечаются быстро сменяющие друг друга осциллятор-ные «взлеты» и «падения» уровня вентиляции легких).

Фаза скачкообразного изменения уровня вентиляции легких в начальный период работы в дальнейшем сменяется быстрым


177

экспоненциальным ростом кинетической кривой V· E (фаза II), по-степенно переходящим в медленное приближение к стационарно-му уровню V· E, соответствующему мощности заданного упражне-ния (фаза III на рис. 5.2).

Рис. 5.2. Три фазы в кинетике уровня легочной вентиляции при мышечной работе (по Ф. Элдриджу [197])

Рис. 5.3. Изменения уровня легочной вентиляции на старте упражнения и в первые секунды после начала мышечной работы


178

В фазе I на старте упражнения скачкообразное увеличение V· E скорее всего обусловлено нейрогенными стимулами из моторных центров и проприоцептивного аппарата работающих мышц. Не-которое экспоненциальное увеличение V· E, наблюдаемое во второй фазе, отражает усиление хеморецепторной регуляции дыхания в ответ на возрастающие метаболические сдвиги в работающих мышцах (подробнее об этом см. в параграфе 5.3). В третьей фазе постепенного приближения и удержания стационарного уровня V· E все основные механизмы регуляции респираторной актив-ности действуют стабильно, и небольшое увеличение V· E в этой фазе происходит в основном от усиления хеморецепторной сти-муляции, постепенно доводящей V· E до уровня, соответствующе-го метаболической активности в тканях и состоянию кислотно-щелочного равновесия в крови [346, 443, 446, 448]. Парциальный вклад респираторных изменений в каждой из указанных фаз в об-щий уровень V· E представлен на рис. 5.4.

Начальная фаза скачкообразного прироста уровня V· E на стар-те упражнения точно соответствует лаг-фазе, обнаруживаемой в первые секунды работы в кинетической кривой потребления О2 (см. рис. 4.32). Метаболические процессы, обусловливающие наличие этой лаг-фазы в кривой потребления О2, как уже отме-чалось ранее (параграф 4.4), связаны с активацией креатинфос-фокиназной реакции для быстрого, не зависящего от скорости

Рис. 5.4. Парциальный вклад регуляторных факторов на различных фазах кинетики уровня легочной вентиляции

при напряженной мышечной работе

, %


179

поставки О2 к работающим мышцам процесса ресинтеза АТФ и использования внутриклеточных резервов О2, депонированных в миоглобине скелетных мышц [3]. Экспоненциальное нарастание легочной вентиляции во II и III фазах близко соответствует кине-тике потребления О2 в эти периоды работы, но с несколько более замедленными значениями констант скорости на этих участках кинетической кривой.

При исполнении упражнений с умеренной мощностью дина-мика респираторного ответа достаточно точно аппроксимируется простым моноэкспоненциальным уравнением:

∆V· E (t) = ∆V· E(SS)(1–ekt), (5.1)

где ∆V· E(t) – величина прироста уровня ∆V· E в любой момент вре-мени от начала упражнения, ∆V· E(SS)– значение прироста V· E в условиях устойчивого состояния (steady state), k – константа скорости, равная частному от деления натурального логарифма 2 (0,693) на значение половины времени (времени, за которое уро-вень легочной вентиляции возрастает до 1/2 его стационарного значения), t – время работы (мин).

В упражнениях, выполняемых с мощностью, превышающей значение порога анаэробного обмена (АТ), как свидетельствуют результаты исследования Фуджихара с сотр. [209, 210], кинети-ческая кривая изменений уровня V· E может быть описана биэкспо-ненциальным уравнением следующего вида:

∆V· E(t) = ∆V· E1(1–e–k

1(t–T

1)) + ∆V· E

2(1–e–k2

(t–T2

)), (5.2)

где ∆V· E1 и ∆V· E

2 – приросты уровня для V· E каждой из двух фаз в стандартном состоянии, k1 и k2 – константы скорости, t – время от начала упражнения, T1 и Т2 – временная отставка начала респи-раторного ответа (Т1 = 0, Т2 = 19 с).

Экспоненциальный характер развития вентиляторного от-вета при мышечной работе указывает на то, что существуют два линейных механизма первого порядка, которые предопределяют характер метаболических и сопряженных с ними респираторных изменений в различные периоды от начала упражнения.

Определенные указания на природу этих механизмов могут быть получены на основе сопоставления результатов исследо-вания изменений уровня легочной вентиляции в упражнениях различной мощности и предельной продолжительности с соот-ветствующими изменениями в характере происходящих биоэнер-


180

гетических процессов и тесно сопряженных с ними физиологиче-ских функциях.

Прежде всего необходимо рассмотреть зависимость изменений уровня легочной вентиляции от основных параметров мышечной нагрузки – предельного времени работы и относительной мощно-сти упражнения.

На рис. 5.5 увеличение уровня легочной вентиляции в зави-симости от предельного времени работы представлено в форме возрастающей экспоненциальной кривой с достижением наи-высших значений V· E в области предельных мышечных нагрузок, выполняемых с интенсивностью от критической мощности, где фиксируется уровень максимального потребления (tпр=180 с) О2, до значений предельного времени, соответствующих мощности истощения, при которой достигается максимальная скорость об-разования молочной кислоты в работающих мышцах (tпр=60 с). На графике эта зависимость представлена двумя кривыми: верхняя суммирует результаты измерений V· E в группе спортс-менов, специализирующихся в кратковременных упражнениях скоростно-силового характера (Сп – спринтеры), нижняя – вы-ведена по данным, полученным в группе спортсменов, специали-зирующихся в длительных упражнениях со значительным про-

Рис. 5.5. Изменение уровня легочной вентиляции при выполнении упражнений разной предельной продолжительности:По оси ординат – уровень легочной вентиляции, л/мин.

По оси абсцисс – значения предельного времени упражнения, с.Тонкой сплошной линией соединены точки изменения уровня вентиляции

у спринтеров, толстой прерывистой – у стайеров


181

явлением выносливости (Ст – стайеры). Реакция представителей скоростно-силовых видов спорта на выполнение предельных мышечных нагрузок связана со значительно более выраженным увеличением уровня легочной вентиляции, чем это имеет место у спортсменов, тренирующихся на выносливость.

Выраженные различия в респираторном ответе на предельные мышечные нагрузки у спортсменов различной специализации об-наруживаются также на кривых, представленных на рис. 5.6, где изменения уровня V· E сопоставлены с соответствующими значени-ями относительной мощности выполняемого упражнения. Здесь также спортсмены-спринтеры демонстрируют более выражен-ную реакцию на увеличение мощности упражнения, чем спортс-мены, тренирующиеся на выносливость. Следует, однако, отме-тить, что наиболее высокие значения уровня легочной вентиляции (150 л/мин), зафиксированные при выполнении предельных мы-шечных нагрузок с относительной мощностью в пределах от W·

кр до W·

ист, у спринтеров и стайеров практически не различаются. Причины этого мы обсудим в следующей главе при рассмотрении вопроса об энергетической стоимости дыхания.

Наиболее важной характеристикой, отражающей изменения в сфере энергетического обмена при мышечной работе, явля-ются показатели кислородного запроса, представленные суммой О2-прихода за время работы и О2-долга, оплачиваемого после

Рис. 5.6. Изменение уровня легочной вентиляции при выполнении упражнений разной относительной мощности:

По оси ординат – уровень легочной вентиляции, л/мин.По оси абсцисс – значения относительной мощности упражнения, ед. ММR.

Другие обозначения такие же, как на рис. 5.5


182

Рис. 5.7. Изменение уровня легочной вентиляции в зависимости от величины кислородного запроса упражнения:

По оси ординат – уровень легочной вентиляции, л/мин.По оси абсцисс – уровень кислородного запроса, л/мин

завершения упражнения. Как видно на кривых, представлен-ных на рис. 5.7, достигаемый к концу выполнения упражнения уровень V· E экспоненциально понижается с ростом уровня кис-лородного запроса. Выраженность этого вентиляторного драйва в большей мере проявляется у представителей скоростно-силовых видов спорта.

В ответ на увеличение скорости О2-потребления при выпол-нении предельных мышечных нагрузок уровень V· E возрастает в экспоненциальной манере с большей выраженностью у пред-ставителей скоростно-силовых видов спорта (рис. 5.8). Анало-гичная картина в изменениях уровня V· E отмечается в ответ на изменения скорости выделения СО2 при работе (рис. 5.9). В бо-лее схематизированном виде обе эти зависимости представлены на рис. 5.10. При невысоких уровнях нагрузки возрастание ско-рости потребления О2 и увеличение скорости выделения СО2 во время упражнения происходит в линейной манере в зависимости от значения мощности выполняемого упражнения. При дости-жении критического уровня нагрузки, соответствующего порогу анаэробного обмена, кривые потребления О2 и выделения СО2 об-наруживают все более возрастающие отклонения от линейности при меньших уровнях нагрузки вслед за нарастающим метаболи-ческим ацидозом. Для кривой О2-потребления первые признаки отклонения от линейности обнаруживаются значительно раньше, чем это наблюдается в случае отклонения кривой выделения СО2.


183

Эта начальная точка отклонения кривой потребления О2 обычно обозначается как аэробный порог, а начальная точка отклонения кривой выделения СО2 – как анаэробный порог. Пространство, заключенное между этими критическими значениями мощности нагрузки, соответствует так называемой зоне изокапнического буферирования (заштрихованная область на графике). Величина отклонения уровня V· E от прямой линии при умеренной работе со-ответствует величине «избыточного увеличения V· E» относитель-но достигаемого уровня V· О2

и V· СО2. Эта величина может служить

косвенным показателем некомпенсированного метаболического

Рис. 5.8. Изменение уровня легочной вентиляции в зависимости от скорости потребления О2 при мышечной работе:

По оси ординат – уровень легочной вентиляции, л/мин.По оси абсцисс – уровень потребления О2, л/мин

Рис. 5.9. Изменение уровня легочной вентиляции в зависимости от значения скорости выделения СО2 при мышечной работе:

По оси ординат – уровень легочной вентиляции, л/мин.По оси абсцисс – уровень выделения СО2, л/мин


184

ацидоза, вызванного усилением анаэробного гликолиза в рабо-тающих мышцах [431, 448].

Еще более точную информацию о природе респираторных из-менений в ответ на усиление мышечной активности можно полу-чить на основе прямого сопоставления динамики уровня легоч-ной вентиляции с динамикой аэробных энергозатрат в широком диапазоне изменений относительной мощности выполняемо-го упражнения. График такого рода зависимости изображен на рис. 5.11. На нем изменения уровня V· E при работе представлены как функция величины отношения суммарных энергетических затрат упражнения к общему объему энергопродукции в аэробном процессе (Е

.tot/Е

.ox).

Рис. 5.10. Изменение уровня легочной вентиляции в критических режимах мышечной работы, соответствующих значениям аэробного

и анаэробного порога:По оси ординат – уровень легочной вентиляции, л/мин.

По оси абсцисс – значения уровней потребления О2 и выделения СО2, л/мин


185

При высоких значениях этого отношения, зафиксированных в кратковременных усилиях максимальной мощности (tпр <10 с), уровень легочной вентиляции во время упражнения относитель-но невысокий (как правило, не выше 60 л/мин), и он заметно не различается у спринтеров и стайеров. В диапазоне нагрузок суб-максимальной мощности (tпр от 20 до 120 с), где происходит рез-кое усиление анаэробного гликолиза, сопровождаемое развитием метаболического ацидоза, уровень легочной вентиляции экспо-ненциально возрастает, достигая наиболее высоких, пиковых зна-чений при величинах отношения Е

.tot/Е

.ox=2,0. В этом диапазоне

изменений величины метаболического индекса уже четко прояв-ляются различия между спринтерами и стайерами. У последних темпы возрастания и пиковые значения V· E при субмаксимальных нагрузках существенно ниже, чем у спринтеров. В области значе-ний метаболического индекса от 1,0 до 2,0, где обычно фиксиру-ется достижение максимального уровня аэробной энергопродук-ции (max V· О2

), значение пикового уровня V· E сохраняется вблизи своего «эффективного» максимума около 150 л/мин (см. об этом в следующей главе).

Наиболее ярко описанные выше различия в уровне легочной вентиляции, прослеживаемые в зависимости от величины от-ношения E

.tot/E

.ox, выявляются на графике с логарифмическими

координатами (рис. 5.12). Здесь кривая зависимости уровня V· E

Рис. 5.11. Изменение уровня легочной вентиляции в упражнениях с различным соотношением аэробного и анаэробного преобразования энергии

при работе (метаболический индекс – Е.tоt/Е

.ох):

По оси ординат – уровень легочной вентиляции, л/мин.По оси абсцисс – значения метаболического индекса


186

от значений метаболического индекса четко разделяется на три линейно-кусочных диапазона. В первом из них, относящемся к нагрузкам большой относительной мощности, где пиковые зна-чения V· E поддерживаются на предельно высоком уровне около 150 л/мин, основной механизм, обусловливающий изменения в респираторных функциях при мышечной работе, связан, по преимуществу, с хеморецепторными реакциями на гиперкапни-ческий стимул. В диапазоне упражнений субмаксимальной мощ-ности, где превалируют хеморецепторные реакции на быстро воз-растающий метаболический ацидоз, уровень V· E резко понижается при изменениях значения логарифма метаболического индекса от 0,5 до 1,0. В диапазоне упражнений максимальной мощности достигаемые значения метаболического индекса свидетельствуют о преимущественно алактатном анаэробном характере мышечной энергетики, при котором регуляция респираторной активности легочного аппарата осуществляется, по преимуществу, за счет нейрогенных механизмов.

Исходя из представленных выше экспериментальных доказа-тельств, представляется возможным выделить три главных фак-

Рис. 5.12. Логарифмический график изменения уровня легочной вентиляции при работе с различными значениями метаболического индекса:

По оси ординат – логарифмы уровня легочной вентиляции.По оси абсцисс – логарифмы значений метаболического индекса Е

.tоt/Е

.ох


187

тора, оказывающих наиболее выраженное влияние на изменение уровня легочной вентиляции при мышечной работе:

1) развитие тканевой гипоксии, сопровождающейся усилени-ем процессов анаэробного ресинтеза АТФ в работающих мышцах (гипоксический cтимул – lg (E

.tot/E

.ox) ≥1,0);

2) развитие метаболического ацидоза, связанного с образова-нием молочной кислоты в процессе анаэробного гликолиза (мета-болический стимул – lg (E

.tot/E

.ox) от 0,5 до 1,0);

3) развитие гиперкапнии, вызванное усилением продукции СО2 в процессе аэробного метаболизма, а также при буферирова-нии образующейся молочной кислоты за счет бикарбонатных ре-зервов (гиперкапнический стимул – lg (E

.tot/E

.ox) ≤0,5).

Воздействие этих факторов, отражающих изменения энергети-ческого обмена в тканях при мышечной активности, опосредуется в респираторном ответе на участие специфических механизмов физиологической регуляции дыхания.

5.3. Механизмы регуляции дыхания при работе

Как было показано, дыхание во время мышечной работы меня-ется таким образом, что легочная вентиляция устанавливается на уровне, соответствующем интенсивности энергозатрат, и одновре-менно поддерживается оптимальный режим паттерна дыхания. Рассмотрим физиологические механизмы, которые обеспечивают столь совершенную регуляцию.

Развитие рабочего гиперпноэ, естественно, обусловлено повы-шением активности центрального дыхательного механизма (точ-нее – центральной инспираторной активности) с его хемо- и ме-ханорецепторными афферентными входами (см. гл. 2). Но какие именно факторы вызывают такую активацию?

Чтобы попытаться ответить на этот сложный и во многом до сих пор еще неясный вопрос, следует напомнить два важнейших факта:

– при включении мышечной нагрузки происходит скачок ле-гочной вентиляции, начальная величина которого практически не зависит от мощности начинающейся работы;

– в устойчивом состоянии при выполнении работы цикличе-ского характера устанавливается уровень вентиляции, обычно соответствующий интенсивности продукции двуокиси углерода в организме.

Исходя из двух этих фактов, можно в первом приближении свести механизмы рабочего гиперпноэ в две группы: 1) нейро-


188

генные, быстродействующие – центральные и периферические и 2) гуморальные, или хеморецепторные, действующие относитель-но медленно.

Нейрогенные механизмы

Сюда можно отнести все стимулы, адресованные центрально-му дыхательному механизму, не зависящие от сдвигов в химизме внутренней среды.

Самое яркое проявление таких стимулов – описанный выше быстрый скачок легочной вентиляции в момент начала работы, когда изменения газового состава и рН крови еще не успели раз-виться и, следовательно, хеморецепторная стимуляция дыхания еще остается на уровне покоя. Это – так называемый быстрый нейрогенный компонент дыхательной реакции на мышечную на-грузку [205]. Он соответствует первой фазе переходного периода.

Подобный же скачок вентиляции наблюдается, когда человек начинает вращать свободное колесо велоэргометра, т.е. при «ну-левой» нагрузке, которая как будто не должна сопровождаться существенными сдвигами метаболизма [243]. Следует, правда, оговориться, что и такая нагрузка может быть названа «нулевой» лишь условно: в действительности педалирование ненагруженно-го велоэргометра в режиме 60 об/мин представляет собой работу мощностью около 30 Вт. Однако подъем вентиляции отмечали и тогда, когда колесу велоэргометра придавали вращение уже зара-нее, так что с началом «работы» испытуемый вообще не прилагал никакого усилия.

Участие нейрогенных стимулов сохраняется также в устойчи-вом периоде мышечной деятельности. Это проявляется в ступен-чатом падении вентиляции в момент выключения нагрузки, хотя, как говорилось, МОД еще остается повышенным в течение пере-ходного восстановительного периода под влиянием метаболиче-ских сдвигов, создавшихся во время работы.

Частично на счет нейрогенных влияний следует отнести неко-торые из вышеупомянутых случаев сцепления, вплоть до полной синхронизации, ритмов дыхательных и рабочих движений. Поч-ти исключительно благодаря нейрогенной регуляции дыхания может развиваться гипервентиляция при статической нагруз-ке: как известно, статическая работа сама по себе не сопряжена, в отличие от работы динамической, со значимым ростом газо-обмена.


189

Что представляют собой рассматриваемые нейрогенные фак-торы? Речь может идти о влияниях на центральный дыхательный механизм, исходящих как из вышележащих структур ЦНС, так и с периферии – из рецепторов опорно-двигательного аппарата и рецепторов сердечно-сосудистой системы, функции которой, наряду с дыханием, тоже активируются во время работы.

Центрогенные влияния. Быстрота вентиляторной реакции на включение мышечной деятельности свидетельствует об участии супрапонтинных структур мозга, связанных с управлением дви-жениями, – сенсомоторной коры, мозжечка.

В этом плане показательны наблюдения, касающиеся пред-стартового состояния спортсменов, где у них обнаруживается по-вышение легочной вентиляции еще до начала работы. Речь здесь идет о формировании в коре больших полушарий мозга времен-ных связей в ответ на сигналы, предшествующие включению фи-зической нагрузки. Более того, если испытуемому предъявляли серию упражнений, энергетическая интенсивность которых по-следовательно нарастала, рост вентиляции в момент включения очередной нагрузки (первая фаза переходного периода) оказы-вался пропорциональным ее кислородной стоимости и сразу до-стигал 75–80% МОД в устойчивом состоянии. Очевидно, здесь образовывалась условная реакция на ожидаемую последова-тельность нагрузок. Если же нагрузки чередовали в случайном, рандомизированном порядке, такой зависимости не отмечалось: быстрый нейрогенный компонент вентиляторной реакции оказы-вался почти одинаковым при разных нагрузках [62]. В какой-то степени кортикальные факторы ответственны и за упоминавшее-ся неоднократно сцепление дыхательных движений с рабочими – по крайней мере, в тех случаях, когда такое сцепление формирует-ся в процессе тренировки [88].

Вообще тренировка к тому или иному упражнению приводит и к формированию «заученной» дыхательной реакции при его выполнении [69]. У спортсменов одно лишь мысленное представ-ление о привычной нагрузке на тредмиле сопровождалось разви-тием гипервентиляции, которая усиливалась по мере увеличения мощности воображаемой работы, с соответствующим снижением альвеолярного рСО2

[464].Правда, здесь не стоит впадать в преувеличения: строгие экс-

перименты с повторными нагрузками на тредмиле не подтверди-ли существенной роли ассоциативных связей для дыхательной


190

реакции человека на мышечную деятельность [337]. (Вместе с тем корковыми механизмами, разумеется, полностью опосредовано произвольное управление дыханием во время работы, о чем будет сказано в гл. 8.) Так, не подтвердилось предположение, что акти-вация центрального дыхательного механизма происходит непо-средственно «уходящими моторными командами» из двигатель-ных центров больших полушарий, т.е. с помощью прямых связей между указанными центрами [197]. Наблюдения за спинальными и тетраплегическими больными поставили эту гипотезу под со-мнение, поскольку у таких пациентов попытки выполнить дви-жения парализованными конечностями не сопровождались за-метным ростом вентиляции [413]. По-видимому, сами по себе кортикальные влияния недостаточны для развития адекватного рабочего гиперпноэ, если не включаются соответствующие аффе-рентные стимулы, выполняющие функцию обратных связей. К их рассмотрению мы и перейдем.

Проприоцептивные стимулы. Многочисленные экспери-ментальные данные неопровержимо доказали, что в развитии рабочего гиперпноэ принимают участие стимулы от рецепторов работающих мышц, а также связок и суставов.

В опытах на животных, в том числе децеребрированных, пассивные движения конечностей неизменно сопровождались гипервентиляцией, причем данный эффект устранялся деаффе-рентацией «работающих» конечностей [56, 275]. Усиление дыха-ния при пассивных движениях ног [253], а также при электрости-муляции, вибрации или ущипывании мышц [267] многократно демонстрировалось на человеке.

Во всех этих случаях источником стимуляции дыхания, не-сомненно, служат механорецепторы: предположение об участии каких-то специфических химических агентов, продуцируемых мышечной тканью (фактор X), опровергается исчезновением вен-тиляторной реакции животных на электростимуляцию мышц ко-нечностей после их деафферентации [122].

Вероятно, важнейшую роль в рассматриваемых реакциях игра-ют мышечные веретена. Этим можно объяснить известный факт: при равном расходе энергии работа, выполняемая руками, сопро-вождается большим ростом вентиляции, нежели энергетически эквивалентная работа ногами [436]: мускулатура верхних конеч-ностей богаче именно мышечными веретенами. И еще раз напом-ним о случаях фазового сцепления дыхания с рабочими движени-


191

ями конечностей – феномене, где проприоцепторы работающих мышц должны играть заметную роль.

Правда, существуют факты, показывающие, что стимуляция проприоцепторов – далеко не всегда ведущий, а тем более не единственный механизм регуляции дыхания при мышечной дея-тельности.

Так, варьирование скорости педалирования на велоэргомет-ре – а оно должно соответственно менять интенсивность проприо-цептивной стимуляции – не сопровождается существенными изменениями легочной вентиляции, если сохраняется постоян-ная мощность выполняемой работы. Также мало влияет на МОД изменение напряжения – а следовательно, и проприоцептивная активность – работающих мышц в условиях попеременной «по-ложительной» (обычной), «отрицательной» (удержание педалей принудительно вращаемого колеса) и «нулевой» (вращение не-нагруженного колеса) работой на велоэргометре [243]. Наконец, у пациентов с травматической перерезкой спинного мозга на уровне сегмента Т6 электростимуляция деафферентированных таким образом мышц нижних конечностей давала вентиляторную реакцию, сниженную сравнительно с наблюдаемой у здоровых, но лишь ненамного уменьшенную по отношению к количеству выво-димой СО2 [103].

Кардиодинамическая гипотеза. Сравнительно недавно иссле-дователей заинтересовал другой возможный источник стимуля-ции дыхания при мышечной деятельности – рефлексы с рецепто-ров сердечно-сосудистой системы.

В самом деле, в течение первой фазы вентиляторной реакции на включение физической нагрузки параллельно с крутым подъ-емом легочной вентиляции быстро растет сердечный выброс. По данным ряда авторов [436], последний может выполнять роль «управляющей функции», которая, в свою очередь, запускается реакцией интраторакальных (преимущественно внутрисердеч-ных) барорецепторов на увеличение венозного притока. Действи-тельно, у пациентов с кардиостимулятором учащение сердечного ритма ведет к росту вентиляции. Введение бета-адреноблокатора пропранолола вызывает вначале падение минутного объема кро-ви, а уже затем легочной вентиляции; причем гиповентиляция держится до тех пор, пока рСО2

смешанной венозной крови снова не достигнет уровня, адекватного нормальному выведению дву-окиси углерода [444]. Таким образом, рассматриваемая концеп-


192

ция удобна для объяснения соответствия, существующего между МОД и количеством выводимой СО2.

Однако некоторые факты противоречат кардиодинамической гипотезе [173]. Так, учащение сердечного ритма в начале работы запаздывает по сравнению с ростом легочной вентиляции. Нача-ло работы (как выполняемой человеком произвольно, так и вы-званной электростимуляцией мышц) сопровождается крутым скачком вентиляции, но лишь медленным и гораздо меньшим уве-личением сердечного выброса. С другой стороны, произвольная гипервентиляция с заданной частотой и глубиной дыхания сопро-вождается ростом минутного объема кровообращения, который по величине примерно соответствует увеличению дыхательного объема: это заставляет думать не столько о влиянии гемодинами-ки на дыхание, сколько, напротив, о влиянии дыхания на функ-цию кровообращения.

Гуморальные (хеморецепторные) механизмы

Известные работы М.Е. Маршака [68, 69] подвергли резкой критике господствовавшую в то время «гуморальную теорию» ре-гуляции дыхания, поскольку та была не в состоянии объяснить, каков механизм быстрого и значительного роста легочной венти-ляции при физической нагрузке, наступающего несмотря на от-сутствие существенных сдвигов газового состава крови. Последу-ющее интенсивное изучение кортикальных и других нейрогенных стимулов, формирующих дыхательную реакцию на работу, оттес-нило в представлении исследователей на задний план участие гу-моральных, точнее, хеморецепторных факторов.

Однако за последние десятилетия интерес к данной проблеме снова оживился. Это связано в первую очередь с доказательством тесного сопряжения МОД с величиной потока двуокиси углерода, выводимой легкими [444]. Такое сопряжение трудно объяснить иначе, чем адекватной стимуляцией хеморецепторов, соответ-ствующей уровню метаболизма.

Роль хеморецепторных стимулов. Значение активации хемо-рецепторов дыхательной системы проявляется уже в начальном переходном периоде вентиляторной реакции на мышечную рабо-ту. Так, если «фоновую» хеморецепторную стимуляцию усилива-ли с помощью ингаляции гиперкапнической или гипоксической, а тем более гипоксически-гиперкапнической газовой смеси, рост вентиляции при включении мышечной нагрузки резко увеличи-


193

вался. Напротив, ослабление этой стимуляции – гипоксической (путем дыхания кислородом) и/или гиперкапнической (путем предварительной гипервентиляции) – вело к уменьшению и даже исчезновению начального подъема вентиляции [139].

Хеморецепторный контроль дыхания сохраняется и в устой-чивом состоянии работы. Действительно, при гиперкапнии и/или гипоксии на фоне одной и той же мощности нагрузки МОД ока-зывается выше, а при гипероксии – ниже обычного; показательно, что вдыхание кислорода во время работы неизменно сопровожда-ется большим или меньшим падением вентиляции, которое выра-жено тем больше, чем выше интенсивность физической нагрузки [139, 285, 448]. Соответственно, искусственно вызванный ацидоз (введение хлористого аммония) повышает, а алкалоз (бикарбона-та натрия) снижает вентиляцию во время мышечной деятельно-сти. Полагают, что при этом МОД регулируется по «установочной точке СО2» [194, 436], тем самым обеспечивая изокапнию. Пра-вильнее, однако, было бы говорить об «установочной точке [Н+]», поскольку хемочувствительные структуры в системе регуляции дыхания интегрируют в конечном счете концентрацию водород-ных ионов внутренней среды, хотя и, частично, посредством рСО2

(см. гл. 2). Важным тому подтверждением служит «избыточный» рост легочной вентиляции при тяжелой работе, о чем речь пойдет ниже.

Различные хеморецепторные стимулы играют в регуляции ды-хания при мышечной деятельности неоднозначную роль. А имен-но: если гиперкапнический стимул увеличивает вентиляторную реакцию, то гипоксический ускоряет ее развитие. Напротив, ги-пероксия замедляет эту реакцию, и чем выше концентрация кис-лорода во вдыхаемой смеси, тем большей оказывается постоянная времени роста вентиляции при включении нагрузки [55, 139, 227].

«Разделение ролей» между двумя гуморальными факторами можно объяснить тем, что за реакцию дыхания на гиперкапнию и ацидоз отвечают главным образом центральные хемочувстви-тельные структуры, реагирующие относительно медленно, а за гипоксическую реакцию – «быстродействующие» артериальные хеморецепторы, реагирующие также на СО2 и [Н+]. Считают, что стимуляция каротидных хеморецепторов сильно влияет на ско-рость развития первой фазы переходного периода в начале рабо-ты, значительно влияет на его вторую фазу и отвечает за 20% МОД в устойчивом состоянии [442]. В самом деле, у больных, перенес-


194

ших гломэктомию (удаление каротидных тел), реакция дыхания на умеренную физическую нагрузку по величине не отличается от нормальной, но запаздывает ее первая фаза. При выполнении же тяжелой работы рост МОД у таких пациентов оказывается недостаточным, и у них развивается гиперкапния с выраженным ацидозом [442]. Резкое падение вентиляции за счет удлинения выдоха, которое наблюдается во время работы при переходе с ды-хания гипоксической смесью на чистый кислород, приписывают выключению стимуляции именно каротидных хеморецепторов [208].

Таким образом, при мышечной деятельности, благодаря по-вышению значимости артериальных хеморецепторов, возрастает вклад гипоксического стимула в регуляцию дыхания. Частично это можно объяснить тем, что во время работы увеличиваются осцилляции газового состава артериальной крови, а к ним хемо-рецепторы каротидного тела весьма чувствительны [13]. Опре-деленную роль играет происходящий при физической нагрузке выброс в кровь катехоламинов: в функции каротидного тела не-посредственно участвуют адренэргические механизмы, и адрено-блокаторы замедляют вентиляторную реакцию человека на вклю-чение мышечной нагрузки [420].

Проблема сопряжения вентиляции с уровнем метаболизма. Напомним, что такое сопряжение является важнейшей особен-ностью регуляции дыхания и что оно обеспечивает сохранение постоянства газового состава и рН крови в достаточно широком диапазоне мышечных нагрузок. Речь идет прежде всего об отме-ченной выше зависимости легочной вентиляции от потока выво-димой легкими двуокиси углерода. В целом связь МОД с этим фактором описывается следующим уравнением:

863V·СО2V·

E = ,

раСО2 · (1–VD/VT)

где V.СО2

– скорость выведения СО2, раСО2 – артериальное напря-жение СО2, VD/VT – фракция мертвого пространства в дыхатель-ном объеме.

Правда, такую зависимость не следует принимать черес-чур категорично. Показано, что эта связь неоднозначна и может меняться при интенсивных нагрузках. Соответственно, не всегда во время работы строго поддерживается изокапния. Сказанное не опровергает, однако, общей тенденции к сопряжению уровня вен-


195

тиляции именно с выведением СО2. Даже когда это соответствие искусственно нарушают путем включения вспомогательной вен-тиляции легких у человека, выполняющего умеренную работу на велоэргометре, упавшее было альвеолярное рСО2

быстро восста-навливается благодаря компенсаторному ослаблению централь-ной инспираторной активности [358]. Более того, связь венти-ляции с выведением СО2 наблюдается не только при мышечной деятельности, но и в других состояниях, связанных с повышен-ным метаболизмом, например при гипертиреозе или вливаниях глюкозы [265].

Но здесь возникает вопрос: каким же образом осуществляется поддержание рабочего гиперпноэ, если отсутствуют факторы – гиперкапния, гипоксия, ацидоз, – необходимые для адекватной стимуляции хеморецепторов и, таким путем, для обеспечения тре-буемого уровня легочной вентиляции?

Этот вопрос побудил сторонников гуморальной регуляции ды-хания выдвинуть два предположения.

Во-первых, быть может, существуют пока еще неизвестные хеморецепторы («метаборецепторы», «эргорецепторы») или специфические гуморальные агенты, продуцируемые работаю-щей мышцей (упомянутый фактор X). В таком случае названные факторы, вступая в действие во время работы, и несут ответствен-ность за точную «подгонку» легочной вентиляции к уровню газо-обмена в организме.

Во-вторых, наблюдаемое при мышечной нагрузке резкое повы-шение чувствительности артериальных хеморецепторов, вероят-но, уже само по себе способно вызвать многократный рост венти-ляции даже при неизменном газовом составе и рН крови.

Нельзя ли в случае правильности этих предположений отка-заться от рассмотренной выше роли нейрогенных механизмов стимуляции регуляции дыхания при работе, оставив эту функцию исключительно за механизмами гуморальными? Попытаемся ра-зобраться в данной проблеме обстоятельно.

Поиски рецепторов, которые непосредственно реагировали бы на интенсивность газообмена в организме, ведутся уже давно. По-скольку уровень тканевого метаболизма отражается прежде все-го на газовом составе и рН смешанной венозной крови – а именно с этими параметрами коррелирует вентиляторная реакция на мы-шечную нагрузку [202], – такие рецепторы пытались обнаружить в крупных венах, правом сердце, легочной артерии. Эти поиски,


196

как правило, были безуспешными. Тем большую сенсацию вызва-ло следующее сообщение: если удалять из венозной крови через экстракорпоральный газообменник всю продуцируемую в орга-низме двуокись углерода, наступает полная остановка дыхания – хотя рСО2

, рО2 и рН артериальной крови, а следовательно, и сти-

муляция известных хеморецепторов остаются нормальными. Но в дальнейшем выяснилось, что «венозная разгрузка» от СО2, хотя и снижает легочную вентиляцию, такое снижение объясняется артериальной гипокапнией; нормальное же соотношение МОД и артериального рСО2

при этом сохраняется [410].В свое время ряд авторов проявил повышенный интерес к про-

блеме хемочувствительности рецепторов легких. Речь здесь идет, однако, не о поиске специфических хеморецепторов, а о роли предполагаемой «обратной чувствительности» рецепторов растя-жения легких к двуокиси углерода. Высказывалось предположе-ние, что снижение рСО2

в области этих рецепторов, происходящее во время работы из-за углубления дыхания, способствует актива-ции механизма инспираторного торможения и тем самым ведет к учащению дыхания. Однако сохранение нормальной вентиля-торной реакции на физическую нагрузку у пациентов с полной денервацией легких (в результате их трансплантации) ставит под сомнение важность «хемочувствительности» легочных механоре-цепторов в регуляции дыхания при мышечной работе [240].

Не вдаваясь в длительную историю вопроса о роли, которую могут играть в регуляции дыхания гипотетические тканевые, в частности, мышечные хеморецепторы, укажем только, что экс-перименты на животных с перфузией сосудов мышцы физиоло-гическими растворами с огромными сдвигами рН (каковые не происходят даже при тяжелых мышечных нагрузках) не выявили значимых изменений легочной вентиляции [97]. Отмеченную же линейную связь между рН ткани работающей мышцы и ростом МОД [346] объясняют скорее методическими особенностями экс-перимента, нежели причинно-следственной зависимостью [230]. С другой стороны, у человека наложение жгутов на область бед-ренных артерий не нарушает дыхательную реакцию на работу, выполняемую нижними конечностями, а снятие жгутов после окончания работы вызывает гиперпноэ лишь в тот момент, когда кровь из работавших мышц достигает синокаротидных зон [205].

Изложенные факты практически сводят на «нет» все надежды открыть специфические хеморецепторы, призванные осуществ-


197

лять «прямую связь» метаболизма с дыханием. Пока не получили убедительного обоснования и предположения о существовании вырабатываемого мышцами гипотетического гуморального аген-та, выполняющего аналогичную роль [305].

Обратимся теперь к проблеме возможного изменения чувстви-тельности уже изученных хеморецепторов, артериальных и буль-барных, к уже известным факторам – рСО2

, рО2 и концентрации

водородных ионов в артериальной крови и внеклеточной жидко-сти мозга.

В качестве меры чувствительности к хеморецепторным стиму-лам дыхания чаще всего используют величину вентиляторного ответа на ингаляцию гиперкапнических смесей (см. гл. 2). Влия-ние мышечной нагрузки на этот показатель оказалось неодно-значным. Одни авторы сообщали об отсутствии каких-либо изме-нений дыхательной реакции на СО2 по сравнению с условиями покоя [185], другие же обнаружили повышение этой реакции, т.е. синергизм влияния физической работы и гиперкапнии на легоч-ную вентиляцию [174].

Подобное расхождение может быть следствием методической трудности измерения вентиляторной чувствительности к СО2 во время работы. Обычный метод возвратного дыхания здесь непригоден из-за резкого усиления продукции метаболической двуокиси углерода при физической нагрузке. Использование с этой целью метода управляемой гиперкапнии, который лишен указанного недостатка, а также метода ингаляции газовых смесей с СО2 в устойчивом состоянии дало следующие результаты. Порог гиперкапнической реакции, точка апноэ, по мере увеличения мы-шечной нагрузки снижается. Иными словами, при каждом данном уровне рСО2

легочная вентиляция оказывается выше, чем в покое, в градуальной зависимости от мощности выполняемой работы. Но одновременно – что очень важно – и от величины гипоксиче-ской стимуляции, т.е. в обратной зависимости от рО2

. Таким обра-зом, при мышечной деятельности положительное взаимодействие обоих хеморецепторных стимулов усиливается [139].

Повышается при работе и вентиляторная чувствительность к «чистой» гипоксии. Так, в условиях «изокапнической» гипок-сии (где падение альвеолярного рСО2

вследствие гипервентиля-ции компенсируется добавлением СО2 во вдыхаемую смесь) рост МОД при физической нагрузке усиливается [139, 349]. В свою очередь, выключение активности каротидных хеморецепторов


198

с помощью вдыхания кислорода вызывает падение вентиляции, коррелирующее с мощностью выполняемой работы; развивается гиперкапния, ацидоз [425]. Кстати, предполагают, что различия вентиляторной реакции отдельных индивидуумов на физическую нагрузку зависят именно от их индивидуальной чувствительности к гипоксической стимуляции дыхания, поскольку вклад гипокси-ческого стимула может составлять 25–30% вентиляторной реак-ции на нагрузку [319]. И вообще у испытуемых со слабой венти-ляторной реакцией на гипоксию и гиперкапнию при интенсивной физической работе наблюдается выраженная гипоксемия [230], хотя прямой связи индивидуальной вентиляторной чувствитель-ности к СО2 с ростом МОД при мышечной нагрузке установлено не было [330].

Означает ли все сказанное, что во время мышечной деятельно-сти повышается чувствительность самих хеморецепторов?

Эксперименты на животных дали отрицательный ответ на этот вопрос. «Работа», вызванная электростимуляцией мышц, не влияла на афферентную активность синусного нерва наркотизи-рованных кошек при перфузии каротидного синуса нормо- и ги-поксической кровью [104].

Вместе с тем существует предположение об активации каро-тидных тел, которая происходит во время работы посредством их симпатической иннервации и повышения артериального содер-жания катехоламинов, а также калия, продуцируемого мышцами [197, 343]. Очевидно, дело здесь не в реактивности самих хемо-рецепторов, а во взаимодействии их функции с другими аффе-рентными сигналами, связанными с двигательной деятельностью [185]. Именно в результате такого взаимодействия дыхательная реакция на гиперкапнический и гипоксический стимул во время мышечной работы может оказаться усиленной.

Взаимодействие нейрогенных и гуморальных механизмов

Несомненно, рост легочной вентиляции в соответствии с фи-зической нагрузкой происходит под влиянием сложного взаимо-действия между нейрогенными и гуморальными стимулами дыха-ния.

Так, на основании расчетов нашли, что в начале умеренной ра-боты на велоэргометре почти исключительно за счет нейрогенных стимулов происходит быстрый рост вентиляции (первая фаза переходного периода), тогда как остальная, медленная часть реак-


199

ции дыхания (вторая фаза) связана с вовлечением гуморальных факторов: кинетика ее развития примерно соответствует периоду прохождения крови от мышц до артериальных и бульбарных хе-морецепторов. Нейрогенные стимулы продолжают действовать, наряду с хеморецепторными, и на протяжении устойчивой фазы мышечной деятельности. Это проявляется в крутом спаде венти-ляции в момент прекращения работы [247].

Естественно, при легкой нагрузке вклад нейрогенных меха-низмов в регуляцию дыхания гораздо больше, чем при тяжелой, где преобладает влияние интенсификации метаболизма и, сле-довательно, увеличивается вес хеморецепторных стимулов [62]. Добавим, что повышенная вентиляторная чувствительность к гипоксическому стимулу, обнаруживаемая при работе, создает надежную защиту от истощения крайне ничтожного кислород-ного резерва организма перед лицом многократного увеличения потребления кислорода во время интенсивных физических на-грузок.

Здесь необходимо еще раз вернуться к роли нейрогенных стимулов и, в частности, кортикальных влияний. Известно, что чем привычнее та или иная форма мышечной деятельности для данного человека, тем совершеннее оказывается при этом «под-гонка» дыхания к характеру и интенсивности мышечной на-грузки [69]. Это касается как «предстартового состояния», так и периода врабатывания и устойчивого состояния. Характер-но, что во время физической работы «разгрузка» дыхательных мышц с помощью включения управляемой вентиляции легких приводила к немедленному росту МОД и, соответственно, к па-дению альвеолярного рСО2

, что свидетельствует о «настройке» регуляторных механизмов на определенный уровень работы ды-хания; впрочем, через 15–20 с оба показателя возвращались к ис-ходным значениям [358]. При этом большую роль могут играть временные связи, которые формируются в коре мозга в процессе обучения тому или иному упражнению: они обеспечивают уста-новку всего аппарата регуляции дыхания на соответствующий уровень функционирования. В таком плане за хеморецепторны-ми механизмами остается не менее важная функция коррекции «ошибки регулирования», иными словами – ликвидации от-клонений регулируемых параметров газового состава внутрен-ней среды с помощью адекватной реакции легочной вентиляции [101].


200

* * *Кратко обобщим представления о важнейших механизмах

регуляции дыхания при мышечной деятельности (рис. 5.13).Реакция легочной вентиляции на включение физической на-

грузки запускается нейрогенными стимулами, исходящими из двигательных центров и проприоцепторов работающих мышц, связок и суставов. С ростом уровня клеточного метаболизма сюда присоединяется влияние обратных связей, опосредованных ар-териальными и бульбарными хеморецепторными структурами и функционирующих по принципу реакций на отклонение регули-руемых параметров внутренней среды – рСО2

, [Н+], рО2 – от «уста-

новочных» значений. Во время работы хеморецепторные стимулы во взаимодействии с импульсацией из сенсомоторной коры и дру-гих структур, участвующих в управлении движениями, а также из механорецепторов опорно-двигательного аппарата и служат фак-торами, определяющими активность центрального дыхательного механизма. (Одним из дополнительных факторов может являться также сопутствующее мышечной деятельности повышение темпе-ратуры «ядра» организма [253, 456].)

Вместе с тем в процессе «самообучения» системы регуляции дыхания в центральной нервной системе формируются временные связи, которые обеспечивают гибкое приспособление дыхания к различным формам физической нагрузки и ее интенсивности. Причем стимулами для центрального дыхательного механизма становятся сигналы, сопровождающие работу и предшествую-щие ей. Следовательно, регуляция дыхания осуществляется и по принципу реакций на возмущающие факторы, обеспечивая общую настройку регуляции дыхания на работу [101].

Так организуется сопряжение легочной вентиляции с интен-сивностью энерготрат организма, а также поддержание газового гомеостаза и связанного с ним кислотно-основного баланса при мышечной деятельности, которое послужит предметом специаль-ного рассмотрения в последующих главах.


201

Рис

. 5.1

3. М

ехан

изм

ы р

егул

яции

ды

хани

я пр

и на

пряж

енно

й м

ыш

ечно

й ра

бот

е (п

о К

. Вас

серм

ану

и др

. [43

6])


202

ГЛАВА 6

Кислородный запрос и вентиляционная стоимость мышечной работы

Изменения, происходящие в сфере энергетического обмена при мышечной работе, как уже отмечалось ранее (см. гл. 4), тес-но сопряжены с динамикой показателей кислородного запроса упражнения. Скорость доставки и утилизации кислорода в рабо-тающих мышцах отражается в показателях О2-прихода (т.е. из-быточного сверх уровня покоя потребления О2 во время работы) и О2-долга (т.е. избыточного потребления О2, используемого для восполнения растраченных во время работы анаэробных резервов после завершения упражнения) (рис. 6.1). Суммарная величина О2-запроса, поделенная на время упражнения, составляет уровень О2-запроса, который соответствует скорости затрат энергии при выполнении работы (рис. 6.2). Уровень О2-запроса упражнения обнаруживает линейную зависимость от значений относительной мощности упражнения, выраженной в единицах ММR – макси-мального метаболического уровня* (рис. 6.3).

Установлено, что показатели респираторной и циркулятор-ной активности при выполнении мышечной работы близко вос-производят изменения, наблюдающиеся в динамике показателей О2-запроса упражнения [34, 35, 432].

Следует отметить, что среди регистрируемых объемно-временных и кинетических показателей респираторной актив-ности наибольшее соответствие с динамикой показателей О2-запроса упражнения обнаруживают емкостные характеристики легочной вентиляции, дающие усредненную оценку изменениям,

* 1 ед. MMR соответствует максимальной аэробной мощности, при которой уровень О2-запроса упражнения равен величине индивидуального максимума О2-потребления.


203

Рис. 6.1. Динамика показателей общего О2-запроса упражнения (О2-приход + О2-долг):

По оси ординат – уровень потребления О2, л/мин. Площадь под кривой О2-потребления во время работы определяет величину О2-прихода упражнения, под кривой восстановительного потребления О2 –

величину О2-долга. Сумма О2-прихода и О2-долга составляет величину общего О2-запроса, л. Размер общего О2-запроса, деленный на время работы,

определяет уровень О2-запроса упражнения.По оси абсцисс – время от начала упражнения, мин

Рис. 6.2. Зависимость уровня О2-запроса упражнения от уровня энергетических затрат во время мышечной работы:

По оси ординат: слева – уровень О2-запроса, л/мин, справа – относительная мощность упражнения, ед. ММR.

По оси абсцисс – уровень энергетических затрат, кал/кг/мин

MMR


204

наблюдающимся в сфере респираторной активности при выполне-нии мышечной работы. Чаще всего в качестве таких усредненных показателей используются значения так называемой вентиляци-онной cтоимости упражнения [30]. Показатели вентиляционной стоимости упражнения рассчитываются на основе непрерывно осуществляемой регистрации изменений уровня легочной венти-ляции при выполнении работы, используя сходные приемы ма-тематической аппроксимизации, как и при расчетах показателей О2-запроса упражнения, проводимых на основе непрерывной ре-гистрации динамических изменений О2-потребления при работе. График, иллюстрирующий технику расчета основных показате-лей вентиляционной стоимости упражнения, приведен на рис. 6.4.

Показатели вентиляционных приростов (разность зафикси-рованного уровня легочной вентиляции с вычетом уровня покоя: ΔV·

E = V· tE – V· 0

E), суммированные за время упражнения, составляют величину вентиляционной стоимости работы (площадь под кри-вой уровня легочной вентиляции – ΔV· W

E ). Сумма вентиляцион-ных приростов за период восстановления (площадь под кривой уровня легочной вентиляции в период отдыха после завершения работы – ΣΔV· R

E ) составляет величину вентиляционной стоимости

Рис. 6.3. Изменение уровня О2-запроса в зависимости от относительной мощности упражнения:

По оси ординат – уровень О2-запроса, л/мин.По оси абсцисс – значения относительной мощности упражнения, ед. MMR


205

восстановления. Общая сумма вентиляционных приростов за вре-мя работы и восстановления представляет величину общей венти-ляционной стоимости упражнения ΣΣΔV· Е

E . Эта величина вентиля-ционной стоимости упражнения, деленная на время упражнения, дает значения уровня вентиляционной стоимости (ΣΣΔV·

E), экви-

Рис. 6.4. Расчетный график для определения показателей вентиляционной стоимости упражнения:

По оси ординат – уровень легочной вентиляции, л/мин.По оси абсцисс – время работы и восстановления, мин.

Площадь под кривой уровня легочной вентиляции за время работы определяет размеры вентиляционного излишка работы (Σ∆V

. WE ), под кривой уровня легочной

вентиляции за первые пять минут восстановления после завершения работы – величину восстановительного излишка легочной вентиляции

(вентиляционный долг – Σ∆V. RE ). Сумма (ΣΣ∆V

. EE ) определяет суммарную

вентиляционную стоимость упражнения (ΣΣ∆V.E · tупр). Величина суммарной

вентиляционной стоимости, деленная на время работы, определяет величину уровня вентиляционной стоимости (ΣΣ∆V

. EE /tупр, л/мин). Техника расчетов

показателей вентиляционной стоимости упражнения аналогична технике расчетов показателей О2-запроса


206

валентного величине уровня кислородного запроса работы или уровня общих энергетических затрат упражнения.

Отслеживание изменений показателей вентиляционной стои-мости при выполнении мышечной работы может быть использо-вано в целях непрямой оценки энергетических затрат и строгой квантификации применяемых физических нагрузок.

6.1. Показатели вентиляционной стоимости упражнения при физических нагрузках разной предельной

продолжительности

Изменения показателей вентиляционной стоимости при вы-полнении упражнений различной предельной продолжитель-ности иллюстрирует рис. 6.5. В кратковременных упражнениях с предельной продолжительностью до 2 мин (фаза быстрого экс-поненциального нарастания кривой уровня легочной вентиля-ции) показатели общей вентиляционной стоимости быстро уве-личиваются с возрастанием времени выполнения упражнения. С превышением времени, необходимого для достижения стацио-нарного уровня легочной вентиляции, дальнейшее прирастание показателей общей вентиляционной стоимости упражнения про-исходит также с постоянной, но со значительно меньшей ско-

Рис. 6.5. Изменение показателей вентиляционной стоимости в упражнениях разной предельной продолжительности:

По оси ординат – величина общей вентиляционной стоимости упражнения, л.По оси абсцисс – предельное время работы, с


207

ростью. В начальной фазе увеличение общей вентиляционной стоимости работы происходит в основном за счет прироста по-казателей вентиляционной стоимости восстановления (ΣΔV· R

E ), а в упражнениях с предельной длительностью более двух минут – преимущественно за счет увеличения показателей вентиляцион-ной стоимости работы (ΣΔV· W

E ). Как нетрудно видеть из сопостав-ления графиков, приведенных на рис. 6.5 и 6.6, изменения пока-зателей общей вентиляционной стоимости в упражнениях разной предельной продолжительности близко воспроизводят соответ-ствующие зависимости, установленные для показателей кисло-родного запроса и энергетической стоимости упражнения.

Рис. 6.6. Изменения показателей общего О2-запроса, О2-прихода и суммарного О2-долга при выполнении упражнений разной предельной

продолжительности:По оси ординат – величина общего О2-запроса, О2-прихода и О2-долга, л.

По оси абсцисс – предельное время работы, с

Показатели уровня вентиляционной стоимости как функция предельного времени упражнения представлены на рис. 6.7. Уро-вень вентиляционной стоимости экспоненциально снижается с увеличением предельной продолжительности упражнения. Такая динамика показателей уровня общей вентиляционной стоимости в основном обусловливается изменениями вентиля-ционной стоимости восстановления (ΣΔV· R

E ). Вклад уровня вен-тиляционной стоимости работы в изменения общего уровня вен-тиляционной стоимости упражнения относительно невелик и он сохраняется неизменным во всем диапазоне изученных измене-ний предельной продолжительноcти работы.


208

Здесь уместно отметить, что изменения в уровне вентиляцион-ной стоимости упражнения точно воспроизводят картину измене-ний уровня энергетической стоимости работы (рис. 6.8).

Рис. 6.7. Изменение уровня вентиляционной стоимости в зависимости от значения относительной мощности упражнения:

По оси ординат – значения уровня вентиляционной стоимости, л/мин.По оси абсцисс – значения относительной мощности упражнения, ед. MMR

Рис. 6.8. Изменение уровня энергетических затрат при выполнении упражнений различной предельной продолжительности:По оси ординат – уровень энергопродукции, кДж/кг/мин.

По оси абсцисс – предельное время упражнения, с


209

На рис. 6.9 представлены изменения уровня вентиляционной стоимости упражнения, зафиксированные на отдельных дис-танциях плавания, преодолеваемых на предельной скорости, и на более коротких дистанциях, преодолеваемых повторно через избранные интервалы отдыха и в сумме равных однократно пре-одолеваемой дистанции. Нетрудно отметить, что во всех режимах повторного плавания с введением интервалов отдыха различной продолжительности уровень вентиляторной стоимости оказывал-ся значительно ниже, чем на однократно преодолеваемой дистан-ции с предельной скоростью. Это следует учитывать при выборе режимов интервальной тренировки, направленной на совершен-ствование биоэнергетических свойств организма в избранном диапазоне тренировочных нагрузок определенного физиологиче-ского воздействия.

Рис. 6.9. Изменения уровня вентиляционной стоимости на различных дистанциях плавания вольным стилем

и при повторном преодолении этих дистанций на заданной скорости при разных интервалах отдыха между упражнениями:

По оси ординат – значения уровня вентиляционной стоимости, л/мин.По оси абсцисс – время упражнения, с


210

6.2. Показатели вентиляционной стоимости упражнения при физических нагрузках разной относительной мощности

Наряду с отслеживанием динамики показателей вентиляци-онной стоимости в упражнениях различной предельной продол-жительности столь же важным для установления их прогностиче-ской ценности будет выведение их зависимости от относительной мощности выполняемых упражнений.

На рис. 6.10 представлена зависимость показателей общей вен-тиляционной стоимости от значений относительной мощности, зафиксированных в лабораторных опытах с работой на велоэрго-метре [30]. Наиболее высокие значения показателей общей вен-тиляционной стоимости отмечены при выполнении упражнений на уровне критической мощности, где достигается максимальное потребление О2. С возрастанием значений относительной мощно-сти во всем диапазоне выше уровня критической мощности по-казатели общей вентиляционной стоимости упражнения экспо-ненциально понижаются. В основном это связано с сокращением времени работы из-за быстро развивающегося утомления, а также проявляющихся в этом диапазоне упражнений «угнетающих» эф-

Рис. 6.10. Изменение показателей вентиляционной стоимости в зависимости от значений относительной мощности упражнения

при работе на велоэргометре:По оси ординат – значения вентиляционной стоимости, л.

По оси абсцисс – значения относительной мощности упражнения, ед. MMR


211

фектов в отношении показателей аэробного обмена при интенси-фикации анаэробного гликолиза [21, 22].

Изменения уровня вентиляционной стоимости при выполне-нии упражнений разной относительной мощности иллюстрирует график, приведенный на рис. 6.11. Здесь отчетливо видно, что во всем диапазоне нагрузок выше значения критической мощности показатели уровня суммарной вентиляционной стоимости возрас-тают в строгой линейной пропорции к увеличению показателей относительной мощности выполняемого упражнения. Прирост показателей уровня вентиляционной стоимости в этом диапазоне мышечных нагрузок в основном происходит из-за увеличения по-казателей вентиляционной стоимости восстановления, вклад по-казателей вентиляционной стоимости работы здесь относительно невелик и он мало изменяется при увеличении относительной мощности упражнения.

Рис. 6.11. Изменение уровня вентиляционной стоимости в зависимости от относительной мощности упражнения:

По оси ординат – уровень вентиляционной стоимости, л/мин.По оси абсцисс – значения относительной мощности, ед. MMR

Линейный характер изменения показателей уровня вентиля-ционной стоимости в зависимости от прироста значений отно-сительной мощности проявляется во всех типах используемого


212

упражнения (рис. 6.12). Однако темпы этих изменений, отражаю-щиеся в угле наклона прямых линий, которые относят к разным типам упражнений, заметно выше в легкоатлетическом беге по сравнению с работой на велоэргометре и на различных дистанци-ях плавания. Относительно меньшая скорость прироста показа-телей вентиляционной стоимости с увеличением относительной мощности упражнения свидетельствует о том, что на изученных дистанциях плавания мышечные нагрузки обеспечиваются более экономным расходом энергии, чем в беге и в работе на велоэрго-метре.

Рис. 6.12. Зависимость показателей относительной мощности и скорости образования молочной кислоты от уровня вентиляционной

стоимости упражнения:По оси ординат: слева – относительная мощность упражнения, ед. MMR,

справа – скорость накопления молочной кислоты в крови, мМ/л/мин.По оси абсцисс – уровень вентиляционной стоимости упражнения, л/мин


213

6.3. Взаимосвязь показателей вентиляционной стоимости упражнения с показателями кислородного запроса

и энергетической стоимости мышечной работы

Для установления более точного соответствия показателей вентиляционной стоимости общим изменениям физиологиче-ского статуса и энергетической стоимости упражнения следует провести анализ регрессионных зависимостей, связывающих зна-чения вентиляционной стоимости с отдельными показателями кислородного запроса упражнений.

Регрессионная зависимость показателя вентиляционной стоимости работы от значений показателя О2-прихода за время упражнения представлена на рис. 6.13. Увеличение показателей вентиляционной стоимости работы происходит в строго линей-ной зависимости от значений О2-прихода за время упражнения. Практически это функциональная зависимость, соответствующая уравнению прямой:

ΣΔV· WE = 9,91 + 26,69ΣV·

О2.

(6.1)

Рис. 6.13. Зависимость показателей вентиляционной стоимости работы от размеров О2-прихода за время упражнения:

По оси ординат – общая вентиляционная стоимость упражнения, л.По оси абсцисс – величина О2-прихода за время упражнения, л

Сходная картина выявляется и на регрессионной зависимости показателя вентиляционной стоимости восстановления (вентиля-ционный долг) от размеров общего О2-долга (рис. 6.14). На при-веденном графике эти показатели также демонстрируют строгую пропорциональную зависимость: ΣΔV· R

E = 32,23 + 49,12TotO2D. (6.2)


214

Естественно, что при столь строгих соответствиях составляю-щих компонентов обобщающие их показатели суммарной венти-ляционной стоимости и общего О2-запроса упражнения также об-наруживают строгую линейную зависимость (рис. 6.15):

ΣΣΔV· А· = 100,8 + 30,64ΣRO2.

На основе установленной линейной связи между показателя-ми уровня вентиляционной стоимости, относительной мощности

Рис. 6.14. Зависимость показателей вентиляционного излишка восстановления от размеров О2-долга:

По оси ординат – величина вентиляционного излишка восстановления, л.По оси абсцисс – размеры О2-долга, л

Рис. 6.15. Взаимосвязь показателей суммарной вентиляционной стоимости упражнения и величины общего О2-запроса:

По оси ординат – показатели вентиляционной стоимости, л.По оси абсцисс – величина общего О2-запроса, л


215

и уровня О2-запроса упражнения (рис. 6.16) становится возмож-ным провести градацию физических упражнений по направлен-ности физиологического воздействия:

– нагрузки с относительной мощностью до 0,5 ед. ММR и уровнем вентиляционной стоимости упражнения до 70 л/мин составляют диапазон упражнений преимущественно аэробного воздействия (I);

– нагрузки с относительной мощностью от 0,5 до 1,0 ед. MMR и уровнем вентиляционной стоимости упражнения до 170 л/мин составляют диапазон упражнений смешанного аэробно-ана-эробного воздействия (II);

– нагрузки с относительной мощностью от 1,0 до 2,5 ед. MMR и уровнем вентиляционной стоимости упражнения до 400 л/мин образуют диапазон нагрузок смешанного анаэробно-аэробного воздействия (III);

– нагрузки с относительной мощностью от 2,5 до 6,0 ед. MMR и уровнем вентиляционной стоимости упражнения от 400 до

Рис. 6.16. Взаимосвязь уровня О2-запроса и относительной мощности упражнения с показателями уровня вентиляционной

стоимости упражнения:По оси ординат: слева – относительная мощность упражнения, ед. MMR,

справа – уровень О2-запроса, л/мин.По оси абсцисс – уровень вентиляционной стоимости, л/мин


216

1000 л/мин образуют диапазон нагрузок анаэробного гликолити-ческого воздействия (IV);

– нагрузки с относительной мощностью от 6,0 до 8,0 ед. MMR и уровнем вентиляционной стоимости упражнения от 1000 до 1400 л/мин образуют диапазон упражнений смешанного алактатно-гликолитического анаэробного воздействия (V);

– нагрузки с относительной мощностью свыше 8,0 ед. MMR и уровнем вентиляционной стоимости упражнения, превышаю-щим 1400 л/мин, относятся к диапазону упражнений алактатного анаэробного воздействия (VI).

Такая систематизация физических нагрузок по направленно-сти тренирующего воздействия, проводимая на основании прямой регистрации показателей вентиляционной стоимости упражне-ния, позволяет установить индивидуально-групповые нормативы для широкого круга упражнений, используемых в практике физи-ческого воспитания и спортивной тренировки [30].

С целью уточнения этих нормативов может быть использова-на регрессионная зависимость между показателями уровня вен-тиляционной стоимости и уровня общих энергетических затрат упражнения, приведенная на рис. 6.17. Эта зависимость позволяет при необходимости рассчитать уровень энергетических затрат по известным значениям уровня вентиляционной стоимости упраж-

Рис. 6.17. Взаимосвязь показателей уровня вентиляционной стоимости упражнения и уровня энергетических затрат при работе на велоэргометре:

По оси ординат – уровень вентиляционной стоимости упражнения, л/мин.По оси абсцисс – уровень энергетических затрат, кДж/кг/мин


217

нения, используя уравнение, выведенное на основе этой зависи-мости:

ΣА· (Дж/кг) = –1211,1 + 8,31ΣΣΔV·Е. (6.3)


Как свидетельствуют результаты проведенных эксперимен-тальных исследований, показатели вентиляционной стоимости упражнения, выводимые из анализа кривой динамики уровня легочной вентиляции во время работы и восстановления, близко воспроизводят основные зависимости от параметров мощности и предельного времени работы, установленные для показателей кислородного запроса и энергетической стоимости упражнения. Непрерывный мониторинг изменений уровня легочной вентиля-ции при мышечной работе с последующим расчетом показателей вентиляционной стоимости упражнения может быть использован с целью квантификации и нормирования физических нагрузок, применяемых в процессе физического воспитания и спортивной тренировки.


218

ГЛАВА 7

Паттерны дыхания в критических режимах мышечной деятельности

Легочное дыхание как физиологическая функция, тесно со-пряженная с изменениями энергетического обмена в тканях при мышечной работе, в своих объемно-временных и кинетических параметрах близко воспроизводит основные зависимости, уста-новленные для показателей О2-запроса и энергетических затрат в отношении параметров мощности и предельного времени выполняемых упражнений [2, 22, 30, 432]. С этой точки зрения представляется интересным проследить, как видоизменяются па-раметры легочного дыхания в так называемых критических режи-мах мышечной деятельности, где происходит смена метаболиче-ских состояний [25, 26, 32, 36, 47].

7.1. Пять критических режимов мышечной деятельности

В соответствии с известной схемой динамики метаболических состояний при мышечной работе (рис. 7.1) принято разделять весь диапазон выполняемых упражнений на пять зон с учетом общей направленности происходящих биоэнергетических сдви-гов в организме и относительной тяжести работы. В частности, в большинстве научно обоснованных систематизаций физических упражнений [23, 26, 63, 93, 146, 323] обычно выделяются три зоны нагрузок, где достигается максимальный уровень энергопродук-ции в доминирующем источнике энергии (алактатном, гликоли-тическом или аэробном), и две промежуточные зоны, где проис-ходит переход от одного метаболического источника к другому:

– от аэробного к гликолитическому (аэробно-гликолитический метаболический переход, соответствующий значению порога анаэробного обмена);


219

Рис

. 7.1

. Пос

ледо

ват

ельн

ост

ь см

ены

дом

инир

ующ

их и

сточ

нико

в эн

ерги

и в

проц

ессе

мы

шеч

ной

деят

ельн

ост

и:П

о ос

и ор

дина

т –

отн

осит

ельн

ая м

ощно

сть

проц

есса

, % m

ax E

0.П

о ос

и аб

сцис

с –

вре

мя

от с

тарт

а уп

раж

нени

я, с


220

– от преобладающего гликолитического анаэробного преоб-разования энергии к преимущественно алактатному анаэробному характеру энергообмена – алактатно-гликолитический анаэроб-ный переход (АГАП).

Рис. 7.2. Динамика уровня энергетических затрат в упражнениях разной относительной мощности у пловцов различной специализации

(спринтеры и стайеры):По оси ординат – уровень энергопродукции, кал/кг/мин.

По оси абсцисс – относительная мощность упражнения, ед. ММR

На рис. 7.2, где сопоставлены между собой показатели общего уровня энергопродукции и относительной мощности упражнения у спортсменов различной специализации (спринтеры и стайе-ры), прошедших лабораторные испытания в широком диапазоне упражнений, видно, что абсолютные значения уровней энерго-продукции в аэробном и анаэробных метаболических процессах, достигаемых при определенных значениях относительной мощ-ности упражнений, заметно различаются у спринтеров и стайеров.

В упражнениях на уровне порога анаэробного обмена (50–70% значений max V·О2

) значения уровня энергопродукции в аэробном


221

процессе у стайеров более чем в 2 раза превосходят соответству-ющие значения у спринтеров. На уровне критической мощности (1 ед. ММR), где достигается максимум потребления О2, уровень энергопродукции у стайеров составляет более 400 кал/кг/мин, в то время как у спринтеров он достигает только около 300 кал/кг/мин. Различия в уровне аэробной и анаэробной энергопродук-ции у спринтеров и стайеров прогрессивно возрастают с увеличе-нием относительной мощности упражнения.

При выполнении упражнений на уровне мощности истощения, где достигаются наибольшие значения максимума накопления мо-лочной кислоты в крови (у стайеров – 4 ед. ММR, у спринтеров – 6 ед. ММR), уровень энергопродукции в гликолитическом анаэ-робном процессе у стайеров составляет несколько более 300 кал/кг/мин, у спринтеров – более 600 кал/кг/мин; уровень энергопро-дукции в алактатном анаэробном процессе у стайеров здесь равен около 100 кал/кг/мин, у спринтеров – более 400 кал/кг/мин.

При выполнении упражнений максимальной анаэробной мощ-ности стайеры при 8 ед. MMR достигают около 450 кал/кг/мин в алактатном диапазоне энергопродукции, в то время как сприн-теры при 10 ед. MMR имеют около 900 кал/кг/мин в алактатном анаэробном процессе.

Согласно классификации физических упражнений, прово-димой на основе анализа изменений эргометрических критериев предельного времени и относительной мощности, нагрузки, не превышающие значения критической мощности, относятся к зоне упражнений умеренной мощности; нагрузки, превышающие зна-чение критической мощности, но лежащие ниже значения мощ-ности истощения, принадлежат к зоне упражнений большой мощ-ности; нагрузки при значениях относительной мощности выше мощности истощения в диапазоне предельного времени от 2,5 мин до 20 с относятся к зоне упражнений субмаксимальной мощности, а нагрузки с предельным временем, меньшим 20 с, при наивысших значениях относительной мощности относятся к зоне упражне-ний максимальной мощности [63, 93].

Общая картина динамики уровня легочной вентиляции и ско-рости выделения СО2 при выполнении упражнений, относящихся к различным критическим режимам мышечной активности, пред-ставлена на рис. 7.3 и 7.4.

При непрерывном отслеживании изменений уровня легоч-ной вентиляции и выделения СО2 нетрудно отметить близкое


222

Рис. 7.3. Динамика уровня легочной вентиляции в упражнениях разной относительной мощности:

По оси ординат – уровень вентиляции легких, л/мин.По оси абсцисс – время упражнения, мин (с)

соответствие динамики V·Е и V·СО2, свидетельствующее о приори-

тетном значении гиперкапнического стимула в формировании респираторного ответа при сколь-либо напряженной мышечной активности человека. В динамике этих респираторных показа-телей четко отслеживается наличие кинетически различных фаз начального скачкообразного прироста легочной вентиляции, бы-


223

Рис. 7.4. Динамика уровня выделения СО2 в упражнениях разной относительной мощности:

По оси ординат – уровень выделения СО2, л/мин.По оси абсцисс – время упражнения, мин (с)

строго экспоненциального роста, постепенного приближения к стационарному уровню, а также удержания стационарного уров-ня при нагрузках на уровне порога анаэробного обмена и крити-ческой мощности, соответствующей максимуму кислородного потребления. При выполнении упражнений на уровне мощности истощения, где достигается максимум накопления молочной кис-


224

лоты в крови и отмечаются наибольшие сдвиги показателей мета-болического ацидоза, пиковые значения V·Е достигают максималь-ных значений порядка 150–155 л/мин.

При нагрузках, превышающих уровень критической мощно-сти, уровень легочной вентиляции быстро нарастает на протяже-нии всего периода работы и осуществляется главным образом за счет учащения дыхания; медленная фаза приближения к стацио-нарному уровню здесь отсутствует, а достижение пиковых значе-ний V·Е, соответствующих стационарному уровню, здесь можно от-метить лишь в единичных дыхательных циклах. В упражнениях на уровне максимальной анаэробной мощности фаза постепенно-го приближения к стационарному уровню полностью отсутствует, а из-за кратковременности таких упражнений наивысшие значе-ния пикового уровня V·Е здесь не превышают 90–100 л/мин.

Скачкообразная активизация инспираторных мышц, отме-чаемая в упражнениях на уровне выше критической мощности, дала основание некоторым авторам [161, 206] говорить о наличии в этих условиях своеобразного порога инспираторных мышц, при котором происходят резкие перепады трансдиафрагмально-го давления [290]. Наиболее характерным для респираторного ответа на выполнение напряженной мышечной работы является наличие «дрейфа» легочной вентиляции после завершения фазы быстрого экспоненциального роста на первой минуте от начала упражнения. Уровень V·Е продолжает непрерывно нарастать, пока не достигнет своих наибольших пиковых значений и не наступит отказ от работы. Несмотря на «избыточный» рост легочной вен-тиляции при нагрузках на уровне выше критической мощности, в этих условиях может наблюдаться выраженная гипоксемия, вы-званная недостаточной оксигенацией крови в легких вследствие усиления кровотока через артериовенозные шунты, и увеличение вентиляционно-перфузионного коэффициента (V·/Q· ) [41, 105, 361].

Для более детального сравнительного анализа особенностей респираторного ответа в различных условиях мышечной работы необходимо отследить изменения уровня V·Е и сопутствующих ему показателей в каждом из отмеченных выше критических ре-жимов мышечной деятельности.


225

7.2. Паттерны дыхания на уровне порога анаэробного обмена (АТ)

Термином «порог анаэробного обмена» обозначается критиче-ский режим работы, при котором происходит переход от преиму-щественно аэробного энергообеспечения работы к смешанному характеру энергообразования с быстро нарастающим участием анаэробного гликолиза, сопровождающимся накоплением молоч-ной кислоты в работающих мышцах и крови [29, 394, 421, 449].

При умеренных мышечных нагрузках, не превышающих значе-ние АТ, уровень легочной вентиляции изменяется в линейной за-висимости от уровня потребления О2 и мощности выполняемого упражнения [203, 244, 320]. При этом показатели рО2

, рСО2 и [Н+]

в артериальной крови остаются на тех же значениях, что и до на-чала работы.

Активизация анаэробного гликолиза и установление лока-лизации АТ на определенном значении мощности выполняемо-го упражнения, как правило, диагностируется на основе прямых измерений концентрации молочной кислоты в крови (лактат-ный порог – LT) или путем одновременно проводимой регистра-ции изменений уровня потребления О2 и выделения СО2 (метод перекреста). В зависимости от избранного методического приема и отслеживаемого показателя метаболического состояния в тка-нях значение мощности упражнения, где локализуется точка АТ, может заметно различаться. Строго говоря, аэробно-анаэробный переход в состоянии тканевого метаболизма не может быть отне-сен к какой-либо определенной точке мощности выполняемого упражнения – он охватывает целый диапазон значений мощно-сти и происходящих сдвигов показателей энергетического обмена и связанных с ним физиологических функций и потому требует комплексного подхода в экспериментальных определениях с при-менением точных методов математического анализа [128, 387, 393].

При проведении исследований изменения содержания мо-лочной кислоты в крови порог анаэробного обмена (АТ) обычно определяется как точка пересечения касательных, проведенных к ветвям линейного увеличения концентрации лактата в крови при умеренных (допороговых) и высокоинтенсивных (надпоро-говых) мышечных нагрузках (рис. 7.5). Эта точка, как правило, располагается в средней части аэробно-анаэробного метаболиче-ского перехода, нижняя граница которого локализуется пример-


226

но на уровне 2–4 мM концентрации лактата в крови (аэробный порог – АеТ), где отмечаются первые незначительные отклонения кривой от линейности, отмечаемой при умеренных нагрузках, а верхняя граница соответствует значению быстрого линейно-го увеличения лактата в крови (точка OBLA). В зоне аэробно-анаэробного перехода изменения содержания молочной кислоты в крови следуют экспоненциально возрастающей кривой, и значе-ние АТ, определяемое по локализации точки перекреста касатель-ных, в этом случае соответствует в среднем ≈4 мM концентрации лактата в крови (лактатный, или анаэробный, порог).

Рис. 7.5. Изменение концентрации молочной кислоты в крови при выполнении упражнений с повышающимся уровнем относительной

мощности:По оси ординат – концентрация молочной кислоты в крови, мг%.

По оси абсцисс – относительная мощность, % max V.

О2

Увеличение скорости накопления молочной кислоты в крови, отражающее активизацию анаэробного гликолиза в работающих мышцах, сопровождается ускоренным буферированием избытков образующейся молочной кислоты в бикарбонатной системе кро-ви и работающих мышцах. Образующаяся в ходе реакций буфе-рирования угольная кислота распадается на СО2 и Н2О, приводя к выделению дополнительных по отношению к уровню метаболи-


227

ческой продукции количеств СО2, обозначаемых как избыточное выделение СО2 (ЕхсСО2) [434]. Образование ЕхсСО2 при мы-шечной работе может быть так же, как и накопление молочной кислоты в крови, использовано в качестве маркерного показате-ля для установления порога анаэробного обмена. По-видимому, в этом случае должен будет выявиться еще один порог – порог из-быточного выделения СО2 (ЕхсСО2T).

Наиболее точно значению лактатного порога соответствует значение мощности упражнения в точке перекреста кривых ско-рости потребления О2 и выделения СО2 (метод перекреста) [427, 432, 437]. На рис. 7.6, где представлены кривые потребления О2 и выделения СО2 при упражнениях с возрастающей мощностью, точка АТ соответствует примерно 0,6 от значений критической мощности, при которой достигается максимум потребления О2. У тренированных спортсменов, специализирующихся в видах спорта со значительным проявлением выносливости, точка АТ за-метно сдвигается вправо по оси относительной мощности и в ряде случаев может достигать 0,9 ед. MMR [6, 26, 37, 411].

Рис. 7.6. Изменение скорости потребления О2 и выделения СО2 при выполнении упражнений с повышающейся мощностью:

По оси ординат – уровни потребления О2 и выделения СО2, л/мин.По оси абсцисс – относительная мощность упражнения, % max V

·О2


228

Наиболее наглядно феномен аэробно-анаэробного перехода выявляется, когда значения вентиляционных эквивалентов для О2 и СО2 выкладываются на графике против мощности выполняе-мого упражнения (рис. 7.7). При выполнении упражнений в допо-роговом режиме значения вентиляционных эквивалентов для О2 и СО2 обнаруживают заметное снижение по сравнению с дорабо-чим уровнем, что свидетельствует о более эффективной вентиля-ции при постепенно возрастающем уровне рабочего метаболизма в умеренных нагрузках. Кривая вентиляционного эквивалента для О2 обнаруживает резкое повышение на нижнем уровне аэробно-анаэробного перехода, соответствующем аэробному порогу [271]. Кривая вентиляционного эквивалента для СО2 выявляет непро-порционально быстрое возрастание при достижении уровня на-грузки, соответствующего АТ, когда в работающих мышцах при реакциях буферирования образующейся в ходе гликолиза молоч-ной кислоты происходит избыточное выделение СО2 [445]. В диа-пазоне значений мощности упражнения от АeТ до АТ показатель вентиляционного эквивалента СО2, а также значения рО2

, рСО2

и pH сохраняются относительно неизменными, отчего этот диапа-зон значений мощности упражнения по предложению E. Джоссa [271] обозначается как зона изокапнического буферирования

Рис. 7.7. Изменение значений вентиляционного эквивалента для О2 и СО2 при выполнении упражнений с повышающейся мощностью:

По оси ординат – значения вентиляционных эквивалентов, л/л.По оси абсцисс – мощность упражнения, кгм/мин

,


229

[436]. Постоянство значений V·E/V·

CO2 в зоне изокапнического буферирования может рассматриваться как подтверждение веду-щей роли гиперкапнического стимула в регуляции дыхания.

При умеренных нагрузках, не достигающих значений АТ, из-менение уровня легочной вентиляции происходит строго про-порционально уровню выделения СО2, а альвеолярное и артери-альное рСО2

остается относительно неизменным. При нагрузках, превышающих значения АТ, рост вентиляции легких обгоняет продукцию СО2 в работающих мышцах. Происходит так называе-мая респираторная компенсация метаболического ацидоза. Отно-сительно «избыточный» рост легочной вентиляции при переходе уровня лактатного порога объясняется тем, что нарастающая аци-демия вызывает интенсивную стимуляцию хеморецепторов дыха-тельной системы, в первую очередь артериальных. По-видимому, здесь в качестве дополнительных стимулов участвуют также эпи-нефрин и ионы калия, содержание которых в плазме крови в дан-ных условиях значительно повышается [352, 373]. Следует отме-тить, что если мощность мышечной нагрузки будет увеличиваться с высоким градиентом (например, на 15–20 Вт/мин), то рост вен-тиляции будет при этом продолжаться в соответствии с уровнем выведения СО2 и снижения артериального рСО2

; стало быть, ре-спираторной компенсации метаболического ацидоза не происхо-дит, поскольку скорость нарастания артериальной концентрации водородных ионов в этом случае оказывается слишком высокой по сравнению со скоростью реакции рецепторов каротидного тела [437, 453].

Точка перелома кривой уровня V·E, выявляющаяся при увели-

чении интенсивности выполняемого упражнения и свидетель-ствующая о начале респираторной компенсации развивающегося при работе метаболического ацидоза, обычно обозначается как вентиляционный порог (V·

EТ) [120, 141]. Этот порог локализует-ся несколько выше АТ, так как имеет место некоторое запазды-вание респираторного ответа по отношению к метаболическому стимулу, возникающему в работающих мышцах, но это значение V·

ET строго следует изменению АТ и может служить в качестве его физиологического маркера. Впрочем, некоторые авторы предпо-читают говорить о вентиляционном пороге как об особом фено-мене, хотя и связанном с АТ [175]. В частности, указывается, что наблюдаемый перелом кривой нарастания частоты дыхательных циклов может служить критерием вентиляционного порога, но он


230

слабо коррелирует с собственно лактатным порогом [161], и эта корреляционная связь может заметно изменяться при некоторых особых метаболических состояниях, например при истощении внутримышечных запасов гликогена, вызванном длительной на-пряженной работой [26, 141, 149]. Таким образом, наблюдаемые изменения респираторных функций при выполнении упражне-ний на уровне порога анаэробного обмена могут служить в доста-точной степени информативными показателями происходящего аэробно-анаэробного метаболического перехода при повышении интенсивности физической нагрузки. Вся совокупность пока-зателей, характеризующих эти изменения в метаболическом со-стоянии организма при работе, в том числе и вентиляционный порог, может служить количественной оценкой метаболического критерия эффективности аэробного преобразования энергии при мышечной деятельности. У высокотренированных спортсменов респираторные показатели порога анаэробного обмена значитель-но превышают эти значения у обычных испытуемых как в абсо-лютном, так и в процентном выражении по отношению к индиви-дуальному уровню максимального потребления О2 [22, 134]. Эти различия становятся особенно выраженными, если спортсмены выполняют упражнения, близкие по своему характеру их спе-циализации. Так, элитные гребцы в исследовании на обычном велоэргометре показали вентиляционный порог при мощности нагрузки около 75% max V·

О2 [149]. Таким образом, как свидетель-

ствуют результаты проведенного в этом параграфе рассмотрения результатов экспериментального изучения особенностей респи-раторного ответа на уровне АТ, при физических нагрузках выше значения порога анаэробного обмена регуляция системы легочно-го дыхания приобретает качественно новую особенность, а имен-но, на локализацию вентиляционного порога столь же заметное влияние оказывает специализация спортсменов в определенном виде упражнения.

На рис. 7.8, где приведены данные полевых испытаний бегунов, специализирующихся в марафонском беге, и спортсменов, специ-ализирующихся в спортивной ходьбе, значение вентиляционного порога у бегунов при max V·

О2, равном 71 мл/кг/мин, составляет

около 41 мл/кг/мин, в то время как у спортсменов по спортивной ходьбе, у которых max V·

О2 был равен 54 мл/кг/мин, V·

EТ локали-зовался на уровне 35 мл/кг/мин. При всяком усилении мощности выполняемого упражнения выше значений порога анаэробного


231

обмена усиленный рост вентиляции призван не только обеспечи-вать растущую потребность работающих мышц в доставке кисло-рода, но и удалять из крови избыток двуокиси углерода, который образуется в ходе буферирования образующегося в мышцах лак-тата. Важнейший механизм этой реакции дыхания состоит в сти-муляции артериальных хеморецепторов благодаря повышению концентрации водородных ионов в крови, а ее физиологическое значение – в поддержании химического гомеостаза внутренней среды на фоне изменяющегося характера рабочего метаболизма мышц.

7.3. Паттерны дыхания на уровне критической мощности

Как уже указывалось ранее, термином «критическая мощ-ность» принято обозначать тот уровень нагрузки, при котором достигается максимум потребления кислорода, т.е. наивысшая скорость аэробного преобразования энергии в работающих мыш-цах. Достижение и последующее удержание этого максимума тре-бует предельно напряженной и строго согласованной работы всех систем вегетативного обеспечения, в том числе системы легочного дыхания.

При максимуме потребления О2 на критической мощности одновременно фиксируются максимальные величины сердечного

Рис. 7.8. Изменение уровня легочной вентиляции при выполнении упражнений с повышающейся мощностью у спортсменов,

специализирующихся в спортивной ходьбе и марафонском беге:По оси ординат – уровень легочной вентиляции, л/мин.

По оси абсцисс – уровень потребления О2 и выделения СО2, мл/кг/мин

, ,


232

выброса, частоты сердечных сокращений и артериовенозной раз-ницы [291, 452, 456]. Уровень легочной вентиляции на критиче-ской мощности, как правило, не достигает своих максимальных значений и находится у верхней границы эффективной вентиля-ции легких (значения V·

E от 120 до 160 л/мин) [452]. Общая картина динамики уровня легочной вентиляции при

выполнении упражнения на уровне критической мощности пред-ставлена на рис. 7.9. На графике изображены две кривые измене-ний V·

E, принадлежащие высококвалифицированному велогон-щику, специализирующемуся в велосипедных гонках на треке. В экспериментах с удержанием критической мощности ему ста-вилась задача выполнить это упражнение до отказа при двух условиях: в первом эксперименте он выполнял педалирование на критической мощности при постоянной, оптимальной для него частоте вращения педалей около 90 об/мин (кривая 1 на графи-ке), во втором эксперименте он начал это упражнение с непродол-жительного (30 с) стартового ускорения (кривая 2). В динамике уровня легочной вентиляции на критической мощности отчетли-

Рис. 7.9. Динамика уровня легочной вентиляции при работе с критической мощностью (пояснения в тексте)


233

во проявляются три фазы респираторного ответа на мышечную нагрузку: а) начальное быстрое возрастание V·

E в первую минуту работы, б) последующее замедленное приближение к стационар-ному уровню и в) выход на уровень steady state и его удержание до момента отказа от работы. Начальное ускорение, предпринятое во втором эксперименте, ускорило выход на стационарный уровень, но в то же время заметно сократило общее время работы до отказа, хотя достигнутый стационарный уровень V·

E в обоих случаях был примерно одним и тем же (около 120 л/мин).

Динамика потребления О2 и мощности выполняемого упраж-нения в тесте на удержание критической мощности представлена на рис. 7.10. При быстро производимых замерах скорости потреб-ления О2 в фазе достижения устойчивого состояния отмечают-ся выраженные осцилляторные изменения в динамике этого аэ-робного показателя, которые следует отнести на счет предельно

Рис. 7.10. Динамика уровня потребления О2 и мощность упражнения в тесте на удержание max V

.

O2 (испытуемый – мастер спорта С. За.):

По оси ординат: слева – уровень потребления О2, л/мин, справа – мощность упражнения, кгм/мин.

По оси абсцисс – время работы, с


234

напряженного режима работы регулятора легочного дыхания и непрерывно изменяющегося кровотока в работающих мышцах [106, 190, 443].

Общая картина кинетики выделения СО2, основного регуля-торного стимула, обусловливающего текущие изменения уровня легочной вентиляции при работе, представлена на рис. 7.11. Не-трудно отметить, что характер динамики этого метаболического показателя во многом воспроизводит картину изменений уровня V·

E при критической мощности выполняемого упражнения.

Рис. 7.11. Кинетика выделения СО2 при работе на уровне критической мощности:

По оси ординат – уровень выделения СО2, л/мин.По оси абсцисс – время работы, с

В более наглядном виде взаимосвязь между уровнем легочной вентиляции и скоростью выделения СО2 на уровне критической мощности представлена на рис. 7.12. При относительно невысо-ких значениях скорости потребления О2 и выделения СО2, от-мечаемых в начальной фазе работы на уровне критической мощ-ности, возрастание легочной вентиляции происходит в линейной


235

зависимости от изменений скорости выделения СО2. С переходом в фазу медленного приближения к уровню steady state (этому со-ответствует точка начала развития респираторной компенсации на уровне около V·

СО2 ≈ 3 л/мин) линейность прироста уровня V·

E нарушается, и значения вентиляционных эквивалентов, уста-новленных для газометрических показателей, начинают быстро увеличиваться, что особенно заметно в изменениях показателя V·

E/V·СО2

. На уровне критической мощности величина вентиля-ционного эквивалента для скорости потребления О2 составляет

Рис. 7.12. График регрессионной зависимости уровня легочной вентиляции от значений скорости выделения СО2 в начальной фазе работы на уровне

критической мощности (фаза 1) и при выходе на стационарный уровень (фаза 2):

По оси ординат – уровень легочной вентиляции, л/мин.По оси абсцисс – уровень выделения СО2, л/мин


236

Рис. 7.13. Изменения значений дыхательного коэффициента при работе на уровне критической мощности у троих испытуемых

с разным соотношением в развитии аэробной и анаэробной работоспособности:

По оси ординат – значения дыхательного коэффициента.По оси абсцисс – время упражнения на стадии достижения стационарного

уровня работы (tупр = 60 с).Верхняя кривая на графике относится к данным спортсмена с высоким уровнем анаэробной работоспособности (специализирующегося в беге на 800 м), средняя кривая – спортсмена с одинаково высоким уровнем

аэробной и анаэробной работоспособности (специализирующегося в беге на 3000 м с препятствиями), нижняя кривая – спортсмена

с высоким уровнем аэробной работоспособности (специализирующегося в беге на 5 и 10 км)

около 30 л на 1 л О2, для скорости выделения СО2 – около 26 л на 1 л СО2. Угловой коэффициент линейной регрессии, числен-но равный среднему значению вентиляционного эквивалента V·

E/V·СО2

, в начальной фазе работы на критической мощности был равен 17,2 л на 1 л СО2, а в период приближения к уровню steady state составлял уже 33,4 л на 1 л СО2. Эти факты свидетель-


237

ствуют о быстром возрастании вентиляционной стоимости вы-полняемого упражнения и позволяют предполагать, что быстрое увеличение энергозатрат, обеспечивающих рост легочной венти-ляции, может выступать в роли одного из факторов, ограничива-ющих общую продолжительность работы на уровне критической мощности.

В качестве иных факторов, связанных с вентиляционной эф-фективностью на уровне критической мощности, можно отметить индивидуальный уровень развития аэробной и анаэробной рабо-тоспособности человека, в частности относительную величину порога анаэробного обмена, и скорость развития метаболического ацидоза, связанного с усилением анаэробного гликолиза при ра-боте.

Скорость развития метаболического ацидоза при работе не-посредственно отражается в изменениях респираторного коэф-фициента R, представляющего собой отношение скорости вы-деляемого СО2 к уровню потребления кислорода. В начальный период работы на критической мощности значения респиратор-ного коэффициента, как это демонстрирует рис. 7.13, непрерывно возрастают, отражая развитие метаболического ацидоза в тканях. В стационарном режиме работы на уровне критической мощности значения респираторного коэффициента устанавливаются около 1,1–1,2. Активация гликолиза в результате стартового ускорения сопровождается заметным повышением значений респираторно-го коэффициента при достижении стационарного уровня потреб-ления О2 (R >1,4), но в последующем эти значения постепенно уменьшаются до обычных значений, характерных в условиях steady state. Концентрация молочной кислоты в крови при дан-ных значениях респираторного коэффициента составляет поряд-ка 10–12 мM [22, 117, 257, 327, 407, 439].

7.4. Паттерны дыхания на уровне мощности истощения и максимальной анаэробной мощности

Значения мощности истощения и максимальной анаэробной мощности разграничивают область напряженной мышечной де-ятельности, охватывающую все упражнения с интенсивностью выше значения критической мощности, на два диапазона пре-дельного времени работы, которые, по классификации В.С. Фар-феля [91], относятся к зонам работы субмаксимальной и макси-


238

мальной относительной мощности, где в одной из них в качестве основного источника энергии доминирует анаэробный гликолиз, а в другой – алактатный анаэробный процесс, связанный с ис-пользованием внутримышечных резервов фосфагенов (АТФ и креатинфосфата).

Термин «мощность истощения» был предложен Е. Симон-соном [395] для обозначения уровня физической нагрузки, при котором достигается максимум накопления молочной кислоты в работающих мышцах и полностью реализуется анаэробный по-тенциал человека. На шкале относительной мощности упражне-ния этому уровню соответствуют значения порядка 4–6 ед. MMR.

Понятие максимальной анаэробной мощности в практику при-кладной физиологии труда и спорта было введено Р. Маргариа с сотр. [318]. Ими же были разработаны и апробированы при под-готовке спортсменов высокой квалификации тестовые процеду-ры, ориентированные на количественную оценку этого качества. Наивысшие значения максимальной анаэробной мощности уста-новлены при выполнении кратковременных упражнений с мак-симальной интенсивностью, составляющей от 10 до 12 ед. MMR. В этих упражнениях доминирующим источником энергии явля-ется алактатный анаэробный процесс, связанный с использовани-ем внутримышечных запасов АТФ и креатинфосфата [24, 34, 318].

Особенности респираторного ответа при выполнении упраж-нений на уровне максимальной анаэробной мощности и мощно-сти истощения наиболее полно выявляются, когда анализ измене-ний уровня легочной вентиляции и связанных с ней показателей проводится путем сопоставления этих изменений с аналогичны-ми сдвигами подобных показателей при пороговой и критической мощности в едином масштабе предельного времени и относитель-ной мощности выполняемых упражнений.

Такие зависимости для основных показателей респираторного ответа на физическую нагрузку приведены на рис. 7.14–7.19.

На рис. 7.14 изображены кривые изменений уровня V·E и V·

E/V·О2

в зависимости от предельного времени работы у высококвалифи-цированных cпортсменов, специализирующихся на различных дистанциях легкоатлетического бега. Сплошной линией на гра-фике обозначены изменения уровня V·

E у спортсменов, специали-зирующихся на длинных дистанциях бега (стайеры), пунктир-ной – данные, относящиеся к спортсменам, специализирующимся на коротких дистанциях (спринтеры). Наиболее высокие значе-


239

Рис. 7.14. Изменения уровня легочной вентиляции и значения вентиляционного эквивалента V

.

E /V.

О2 на различных дистанциях бега

у спринтеров и стайеров:По оси ординат: слева – уровень легочной вентиляции, л/мин,

справа – значения вентиляционного эквивалента для потребления О2.По оси абсцисс – предельное время бега, с

ния уровня V·E отмечаются в диапазоне предельного времени от

100 до 300 с, где значения относительной мощности упражнения соответствовали переходу от режима критической мощности к ре-жиму алактатного порога; бегуны, специализирующиеся на длин-ных дистанциях, здесь имели более высокие значения уровня V·

E, чем спринтеры. У стайеров уровни V·

E в этих режимах составля-ли от 120 до 130 л/мин, в то время как у спринтеров – не более 110 л/мин. В коротких промежутках предельного времени в ре-жимах алактатно-гликолитического анаэробного перехода (при tпр около 45 с) и максимальной анаэробной мощности (tпр от 10 до 20 с) значения уровня V·

E как у стайеров, так и у спринтеров составили от 60 до 90 л/мин.


240

Изменения уровня потребления О2 в зависимости от пре-дельного времени выполнения упражнений иллюстрирует рис. 7.15. При выполнении упражнений с максимальной анаэроб-ной мощностью (tпр от 10 до 20 с) спортсмены, специализирую-щиеся в беге на короткие и длинные дистанции, существенных

Рис. 7.15. Изменение уровня потребления О2 в упражнениях разной предельной продолжительности:

По оси ординат – уровень потребления О2, л/мин.По оси абсцисс – предельное время упражнения, с

различий в значениях этих респираторных показателей не обна-руживают, но при выполнении более длительных упражнений, начиная с режима алактатно-гликолитического перехода и мощ-ности истощения, спринтеры обнаруживают существенно более низкие значения затрат энергии, вырабатываемой в аэробных процессах, чем стайеры. Иная ситуация наблюдается в отноше-нии показателей анаэробного обмена: на рис. 7.16, где изображе-ны кривые, представляющие изменения уровня неметаболиче-ского излишка выделения СО2, данные, относящиеся к бегунам на короткие дистанции, во всех изученных критических режимах мышечной деятельности заметно превышают соответствующие


241

Рис. 7.16. Изменение уровня неметаболического излишка СО2 в упражнениях разной предельной продолжительности:

По оси ординат – уровень избыточного выделения СО2, л/мин.По оси абсцисс – предельное время упражнения, с

значения этого показателя у спортсменов, специализирующихся на длинных дистанциях бега.

Изменения уровня легочной вентиляции в зависимости от зна-чений относительной мощности выполняемых упражнений пред-ставлены на рис. 7.17. Наиболее высокие значения уровня V·

E от-мечены при выполнении упражнений в диапазоне от W·

кр до W·ех.

У стайеров эти значения превышают 150 л/мин, у спринтеров они достигают 130 л/мин. В критических режимах со значительным усилением анаэробной энергопродукции (уровень АГАП и мак-симальной мощности) изменения легочной вентиляции у сприн-теров и стайеров существенно не различались и варьировали в пределах от 60 до 40 л/мин.

Изменения уровня потребления О2 и выделения СО2 при выполнении упражнений различной относительной мощности в легкоатлетическом беге спортсменами высокой квалификации иллюстрирует рис. 7.18. Уровень выделения СО2 значительно превышает уровень потребления О2 при нагрузках критической


242

Рис. 7.17. Изменения уровня легочной вентиляции у спортсменов различной специализации в упражнениях разной относительной мощности:

По оси ординат – уровень легочной вентиляции, л/мин.По оси абсцисс – значения относительной мощности упражнения, ед. MMR

Рис. 7.18. Изменения скорости потребления О2 и выделения СО2 у спортсменов различной специализации при выполнении упражнений разной

относительной мощности:По оси ординат – уровни потребления О2 и выделения СО2, л/мин.



243

мощности и мощности истощения (R ≥1,2). Эта ситуация со-храняется также и при выполнении упражнений в критических режимах алактатно-гликолитического анаэробного перехода и максимальной анаэробной мощности.

Изменения показателей избыточного выделения СО2 в раз-личных критических режимах напряженной мышечной деятель-ности демонстрирует рис. 7.19. На графике сопоставлены значе-ния уровня избыточного выделения СО2, зарегистрированные при выполнении упражнений в различных критических режимах спортсменами разной специализации (спринтерами и стайерами). Наибольшие значения уровня ЕхсСО2 отмечаются при выполне-нии упражнений на уровне алактатного анаэробного порога (АlТ) и критической мощности, при этом у спринтеров такие показате-ли заметно превышают соответствующие значения у стайеров во всем диапазоне напряженной мышечной деятельности.

Рис. 7.19. Изменения уровня избыточного выделения СО2 у спортсменов различной специализации при выполнении упражнений разной

относительной мощности:По оси ординат – уровень избыточного выделения СО2, л/мин.


Изменения показателей кислородного запроса у высококва-лифицированных бегунов, зафиксированные при выполнении упражнений в различных критических режимах, представлены на рис. 7.20. Самые высокие значения общего О2-запроса (ΣR

.О2

),


244

О2-прихода (ΣV·О2) и О2-долга (О2D) отмечены при выполнении

упражнений на уровне критической мощности и алактатного анаэробного порога. С увеличением уровня относительной мощ-ности упражнения в критических режимах мощности истоще-ния, алактатно-гликолитического анаэробного перехода и макси-мальной анаэробной мощности все отмеченные выше показатели О2-запроса упражнения экспоненциально понижаются.

Рис. 7.20. Изменение показателей О2-запроса у спортсменов различной специализации в упражнениях разной относительной мощности:

По оси ординат – значения общего О2-запроса, О2-прихода и О2-долга, л.По оси абсцисс – значения относительной мощности упражнения, ед. MMR


Респираторный ответ на выполняемую мышечную работу об-наруживает закономерные изменения в упражнениях различной мощности и предельной продолжительности. Биохимические изменения в тканях, сопровождающие выполнение мышечной работы, характеризуются регулярной сменой метаболических со-стояний, при которых роль ведущего источника энергии последо-вательно в зависимости от изменяющихся значений относитель-ной мощности и предельной продолжительности выполняемого упражнения принимают на себя различные метаболические про-цессы. Как уже отмечалось ранее (см. параграфы 4.2 и 4.3), в роли


245

доминирующего источника энергии при выполнении упражнений максимальной мощности в диапазоне предельного времени от 10 до 20 с выступает алактатный анаэробный процесс, связанный с использованием внутримышечных резервов АТФ и креатин-фосфата (критический режим работы на уровне максимальной анаэробной мощности). При выполнении высокоинтенсивных упражнений в диапазоне предельного времени от 20 с до 2,5 мин роль доминирующего источника энергии принимает на себя анаэробный гликолиз, приводящий к образованию значительных количеств молочной кислоты в мышцах и сопровождающийся наибольшими изменениями показателей кислотно-щелочного равновесия крови (критический режим работы на уровне мощ-ности истощения). При выполнении упражнений на уровне кри-тической мощности в диапазоне предельного времени от 2,5 до 10 мин происходит максимальная активизация процесса окис-ления углеводов, которая находит свое отражение в уровне мак-симального потребления О2 во время работы (режим работы на уровне критической мощности).

Между временными диапазонами, в которых доминируют, достигают своих максимальных значений определенные метабо-лические источники энергии, существуют промежуточные зоны, где происходит переход от одного метаболического состояния к другому. Так, между диапазонами с максимальным усилением гликолиза и алактатного анаэробного процесса при относитель-ной мощности выполняемых упражнений от 6 до 8 ед. MMR лока-лизуется промежуточная зона алактатно-гликолитического анаэ-робного перехода (АГАП), а между диапазонами с максимальным усилением гликолиза (W·

ех) и наибольшей скоростью окислитель-ных превращений находится метаболический переход, обозна-чаемый как алактатный анаэробный порог (АlТ). Между диапазо-нами нагрузок, выполняемых на уровне критической мощности, и умеренными работами, где преимущественным источником энергии служит аэробный окислительный процесс, расположен метаболический переход, ограниченный значениями аэробного (АеТ) и анаэробного (АТ) порога.

Проведение градации различных видов мышечных нагру-зок с учетом биоэнергетических особенностей устанавливаю-щегося метаболического состояния может послужить основой для разработки методологии строгой количественной оценки, т.е. квантификации, выполняемых упражнений и их систематиза-


246

ции по достигаемому физиологическому эффекту. Использование в этих целях показателей респираторного ответа на выполняемую работу (паттерна дыхания) может стать источником объективной информации, необходимой для оптимизации процесса спортив-ной тренировки и выбора рационального режима упражнений в оздоровительной и лечебной физической культуре.


247

ГЛАВА 8

Дыхание и физическая работоспособность человека

Могут ли факторы легочного дыхания ограничивать физиче-скую работоспособность человека? В решении этого вопроса сре-ди специалистов в области физиологии мышечной деятельности не существует единого мнения. Наиболее распространенными яв-ляются две противоположные точки зрения. Согласно одной из них, в нагрузках аэробного характера, не превышающих значения критической мощности, где достигается максимальное потребле-ние О2, общим фактором, лимитирующим физическую работоспо-собность человека, является максимальная эффективность всей системы респираторного обеспечения мышечной деятельности, начиная от бронхов и легочных альвеол и кончая митохондриями в работающих мышцах, и поскольку поставка О2 к тканям тесно сопряжена с уровнем активации легочного дыхания, то показате-ли эффективной респирации при мышечной работе непременно должны отражаться на состоянии физической работоспособности человека [45, 94, 111, 222, 264, 393].

Представители второй точки зрения на возможную роль фак-торов дыхания в ограничении физической работоспособности человека исходят из представления о существовании некоторого «избыточного» резерва, которым будто бы обладает аппарат ле-гочного дыхания и который никогда, даже при предельных мы-шечных нагрузках, не используется в полной мере, и, основываясь на этом представлении, утверждают, что фактор внешнего дыха-ния не имеет сколь-либо определяющего значения в проявлениях физической работоспособности человека в условиях напряжен-ной мышечной деятельности [42, 340].

Помимо этих двух противоположных точек зрения на лими-тирующую роль системы дыхания для физической работоспо-


248

собности человека имеются также и иные точки зрения, авторы которых, основываясь на результатах анализа некоторых частных ситуаций, складывающихся во взаимоотношениях отдельных по-казателей респираторных функций с параметрами работоспособ-ности человека в различных условиях эксперимента, склонны приписывать эффектам со стороны дыхательной системы неодно-значный, меняющийся раз от раза характер [74, 87, 120, 129, 184, 349, 453].

В свете изложенной ранее концепции о сменяющихся ме-таболических состояниях при различных режимах мышечной деятельности нам представляется более оправданным при выяс-нении роли факторов дыхания в ограничении физической работо-способности человека исходить не столько из рассмотрения роли какого-либо одного респираторного показателя в изменении об-щей работоспособности, а попытаться установить, насколько каж-дый из регистрируемых респираторных показателей сказывается на изменении параметров мощности, емкости и эффективности метаболических процессов, определяющих аэробную и анаэроб-ную работоспособность человека в этих условиях.

Рассмотрим с этой точки зрения современные данные, касаю-щиеся роли системы дыхания в ограничении физической работо-способности.

8.1. Максимальная вентиляция легких и функциональный резерв дыхания

Представление о том, что дыхательная система совершенно не ограничивает физическую работоспособность, основывают на из-вестном парадоксе: даже при самой тяжелой нагрузке минутный объем дыхания (МОД) очень редко доходит до уровня так называе-мой максимальной вентиляции легких (МВЛ). В последнем случае речь идет о результатах испытаний в специальной тестовой про-цедуре, где испытуемому предлагают дышать как можно глубже и чаще (иногда, впрочем, задают фиксированную частоту дыха-ния) в течение ограниченного промежутка времени (12, 15 или 20 с). В то же время в большинстве стандартизированных лабора-торных тестов в упражнениях на велоэргометре или тредмиле от-каз испытуемого продолжать работу нарастающей мощности на-ступает уже тогда, когда МОД достигает лишь 60–80% МВЛ [19]. Получается, что действительно часть вентиляционного резерва остается неиспользованной.


249

Рис. 8.1. Изменение кислородной стоимости дыхания в зависимости от уровня легочной вентиляции во время упражнения:

По оси ординат – кислородная стоимость дыхания (V.О2

/V.E), мл О2/л V

.E.

По оси абсцисс – уровень легочной вентиляции, л/мин

Следует, однако, учесть несоразмерные затраты энергии на работу дыхания при столь больших объемах легочной вентиля-ции. Как известно (см. гл. 1), эти затраты растут в нелинейной зависимости от уровня вентиляции (рис. 8.1). Дело в том, что в условиях гиперпноэ увеличивается работа дыхания по преодо-лению как эластического, так и неэластического сопротивления: с одной стороны, возрастает усилие, нужное для растяжения лег-ких ввиду углубления дыхания с использованием резервных объ-емов легких, инспираторного и экспираторного; с другой – растет также усилие, требуемое для поддержания и ускорения газовых потоков в воздушных путях – инспираторного и особенно экспира-торного (поскольку аэродинамическое сопротивление на выдохе больше). В результате, когда уровень V·

E превышает значение 120–140 л/мин, что имеет место при работе с интенсивностью выше критической мощности, респираторные мышцы «съедают» весь дополнительно поступающий в кровь кислород, ибо потребление кислорода этими мышцами растет гораздо быстрее, нежели мыш-цами, выполняющими внешнюю, полезную работу [375]. При тя-желой нагрузке доля «легочной» работы в общей сумме энерго-затрат организма может достигать 20–25% (рис. 8.2). Нужно так-же иметь в виду возможность утомления дыхательной мускула-туры в результате интенсивной гипервентиляции [55, 463]. Более того, если работа дыхания превышает 1,0–1,2 Вт, она может стать


250

вообще непереносимой для человека ввиду резкой одышки. Поэ-тому он в состоянии поддерживать МВЛ лишь считанные секун-ды, а в течение более или менее длительного времени, измеряемого минутами, способен поддерживать уровень V·

E, не превышающий 60–80% величины МВЛ [269, 419].

Рис. 8.2. Соотношение уровней кислородных затрат на усиление функции внешнего дыхания (респираторные затраты энергии) и кислородных

затрат, непосредственно связанных с работой скелетных мышц (нереспираторные затраты энергии), при увеличивающемся уровне

легочной вентиляции во время упражнения:По оси ординат – уровень потребления О2, л/мин.

По оси абсцисс – уровень легочной вентиляции, л/мин

Изложенные факторы приводят к заключению: подобно тому, как невозможно судить о физической работоспособности человека по кратковременному максимальному мышечному усилию – точ-но так же некорректной представляется оценка функциональных возможностей дыхательной системы при мышечной деятельности лишь на основании измерения МВЛ.

Это положение подтвердилось при сравнении величин МВЛ с пиковыми уровнями МОД, полученными у тех же испытуемых в ходе определения (путем ступенчато нарастающей нагрузки на велоэргометре) максимального потребления О2, а также програм-мируемого изокапнического гиперпноэ (ПИГ), где человеку мето-дом биоуправления задавались ступенчато нарастающие режимы легочной вентиляции, имитирующие его рабочее гиперпноэ; при-чем во избежание развития гипокапнии вдыхаемый воздух обога-


251

щали двуокисью углерода, поддерживая постоянство альвеоляр-ного рСО2

. Оказалось, что пиковая вентиляция в условиях ПИГ была близка к таковой при работе предельной мощности. Вместе с тем обе величины были в среднем примерно на 20% ниже, чем МВЛ [19].

По нашему мнению, тот уровень МОД, который достигается при максимально переносимой аэробной мышечной нагрузке, где отмечается максимум потребления О2, следует считать функ-циональным резервом дыхания (ФРД). Именно ФРД, а не МВЛ служит верхней границей физиологического диапазона легоч-ной вентиляции, используемого в реальных условиях мышечной деятельности. Диапазон этот достаточно широк: при тяжелой ра-боте уровень V·

E может десятикратно и даже более возрастать по сравнению с уровнем покоя, но в обычных условиях этот уровень все-таки не достигает значений МВЛ. Интересно, что в упомя-нутом исследовании [19] у каждого испытуемого ото дня ко дню сохранялось удивительное постоянство как МВЛ, так и пиковых величин МОД при мышечной нагрузке и при программируемом изокапническом гиперпноэ – и это наряду с существенными ме-жиндивидуальными различиями названных показателей. Мож-но думать о значимой генетической обусловленности и МВЛ, и функционального вентиляторного резерва, подобно показате-лям жизненной емкости легких и максимального потребления кислорода.

Вероятно, механизм, предотвращающий рост вентиляции сверх уровня ФРД, состоит в интенсивной стимуляции проприо-цепторов дыхательных мышц и/или их утомлении. Вопрос о роли фактора утомления, а также нарушений кровотока в этих мыш-цах пока остается нерешенным: надо учесть относительную, по сравнению с остальной скелетной мускулатурой, неутомляемость основного инспиратора – диафрагмы (которую в этом плане мож-но сравнить разве что с сердечной мышцей): ее метаболизм оста-ется аэробным и при напряженной физической работе [315, 328]. Об исключительной толерантности дыхательных мышц свиде-тельствует тот факт, что даже после 100-дневного (!) постельного режима их функция у испытателей не показала заметного ослаб-ления [335].

Действительно, у тренированных спортсменов не выявлено существенного снижения показателей, отражающих максималь-ное усилие респираторных мышц, даже после таких тяжелых и длительных нагрузок, как бег на марафонскую дистанцию,


252

велосипедные и лыжные гонки [108, 340, 426]. Вместе с тем при-знаки утомления дыхательных мышц, в том числе диафрагмы, в некоторых случаях все же могут проявляться. Так, интенсивная работа до отказа приводила к ослаблению реакции диафрагмы на стимуляцию диафрагмального нерва; в условиях же «разгрузки» респираторной мускулатуры с помощью вспомогательной венти-ляции работа той же мощности уже сопровождалась утомлением диафрагмы [110]. Утомление дыхательных мышц наблюдали, на-пример, в результате очень частого дыхания [167, 311, 354]. Кста-ти, само по себе учащение дыхания при работе высокой интенсив-ности и/или большой длительности может служить косвенным признаком утомления дыхательной мускулатуры [11, 74].

Но каков бы ни был механизм, препятствующий росту МОД сверх уровня, обычно достигаемого при максимальной мышечной нагрузке, есть все основания утверждать, что такой избыточный рост вентиляции энергетически нецелесообразен и что именно этот уровень, обозначенный нами как функциональный резерв дыхания, отражает участие функции дыхания в ограничении аэ-робной работоспособности. Величину же так называемой макси-мальной вентиляции легких (МВЛ) правильнее рассматривать в качестве критерия форсированной мощности дыхания, его «про-пускной способности», обусловленной свойствами респиратор-ных мышц, а также биомеханикой легких и воздухоносных путей. В самом деле, МВЛ у тренированных спортсменов тесно коррели-рует с объемом форсированного выдоха, но не коррелирует с мак-симальным уровнем легочной вентиляции при мышечной нагруз-ке [414]. Кроме того, нельзя упускать из вида «произвольный» характер МВЛ: результаты ее определения в немалой степени зависят от мотивации и добросовестности испытуемого, а потому не всегда достаточно воспроизводимы [70].

Столь же трудно сравнивать лимитирующую роль, кото-рую играет для физической работоспособности человека систе-ма дыхания, с аналогичной ролью системы кровообращения – поскольку, например, минутный объем кровообращения (МОК), в отличие от минутного объема дыхания (МОД), произвольному управлению не подвластен. Следовательно, говоря о максималь-ной величине МОК, мы имеем в виду тот его уровень, который естественным путем достигается именно во время предельной физической нагрузки, – а это, по существу, полный аналог функ-ционального резерва дыхания. Но не максимальной вентиляции легких!


253

Установлено, что у спортсменов высокой квалификации, тре-нированных к упражнениям аэробного характера, при макси-мально переносимой мощности нагрузок МОД приближается к величине их индивидуальной МВЛ, достигая обычно не менее 150–160 л/мин [181, 264]. Здесь уже становится явной лимитиру-ющая роль системы дыхания: ведь превзойти МВЛ (разумеется, если испытуемый выполняет этот тест достаточно добросовестно) невозможно по чисто физическим причинам.

Конечно, при тяжелой физической нагрузке мобилизуются ре-зервы не только дыхания, но и других звеньев цепи транспорта кислорода. Так, для осуществления аэробной работы на уровне критической мощности необходимо сочетание высоких показате-лей минутных объемов и дыхания, и кровообращения [20]. Вместе с тем некоторые исследователи считают наиболее благоприятным так называемый респираторный тип адаптации к напряженной мышечной деятельности с преобладающим увеличением резервов дыхательной системы, по сравнению с адаптацией гемодинамиче-ского типа [79].

В свете изложенных экспериментальных фактов представляет-ся необходимым провести более детальный анализ зависимости параметров физической работоспособности от изменений, проис-ходящих в сфере респираторного обеспечения мышечной рабо-ты, раздельно для длительных упражнений аэробного характера, выполняемых на уровне порога анаэробного обмена и вплоть до достижения критической мощности, где имеет место максималь-ная мобилизация всех наличных резервов аэробной производи-тельности, и для кратковременных высокоинтенсивных мышеч-ных нагрузок, относящихся к диапазону напряженной мышечной деятельности на уровне от мощности истощения, где происходит максимальная интенсификация анаэробного гликолиза, до уров-ня максимальной анаэробной мощности, где в качестве основного источника энергии доминирует алактатный анаэробный процесс, связанный с использованием внутримышечных запасов АТФ и креатинфосфата.

8.2. Лимитирующая роль факторов дыхания при длительных мышечных нагрузках аэробного характера

Обратимся к анализу экспериментальных факторов из области умеренных мышечных нагрузок, не превышающих уровня порога анаэробного обмена. В этой области степень активации легочной


254

респирации находится в линейной зависимости от мощности со-вершаемого упражнения, при этом уровень текущего потребления О2 полностью удовлетворяет кислородный запрос работы, разме-ры образующегося кислородного долга невелики (как правило, не более 1,5–2 л) и они не изменяются по ходу работы, отражая кислородную стоимость «стартового» включения алактатного анаэробного процесса, необходимого для дальнейшей актива-ции аэробного окисления в работающих мышцах. Значения вен-тиляционных эквивалентов для О2 и СО2 в ответ на повышение мощности исполняемого упражнения вначале несколько понижа-ются, указывая на улучшение вентиляционной эффективности под воздействием регуляторных механизмов, активирующихся в процессе мышечной работы (рис. 8.3). Наименьшие значения V·

E/V·О2

обнаруживаются раньше, чем это отмечается для V·E/V·

СО2.

Уровень нагрузки при наименьших значениях V·E/V·

О2 обознача-

ется как порог аэробного обмена. Наименьшее значение V·E/V·

СО2

соответствует порогу анаэробного обмена, от которого начинается быстрое образование молочной кислоты при увеличении мощно-сти мышечной нагрузки. Диапазон нагрузок между значением аэ-робного и анаэробного порогов, где обнаруживается постоянство V·

E/V·СО2

, при выполнении мышечной работы соответствует зоне изокапнического буферирования [271].

Рис. 8.3. Динамика значений вентиляционного эквивалента для потребления О2 и выделения СО2 в упражнениях с повышающейся мощностью:

По оси ординат – значения вентиляционного эквивалента для О2 и СО2.По оси абсцисс – относительная мощность упражнения, ед. MMR

,


255

Изменения рН, газов крови и напряжения О2 и СО2 в альвео-лярном воздухе при выполнении упражнений с повышающейся мощностью иллюстрирует рис. 8.4.

Рис. 8.4. Изменения рH, газов крови и напряжения О2 и СО2 в упражнениях с повышающейся мощностью:

По оси ординат – парциальное давление, мм рт. ст. По оси абсцисс – относительная мощность упражнения, % max V

.O2

Как видно на графике, напряжение СО2 в артериальной кро-ви поддерживается на измененном уровне вплоть до порога анаэ-робного обмена, в то время как раО2

обнаруживает резкое падение уже при нагрузках немногим более 30% уровня критической мощ-ности, где достигается max V·

О2, и это падение раО2

соответствует порогу аэробного обмена, при котором отмечается возрастание легочной респирации, направленное на увеличение содержания О2 в альвеолярном воздухе. Снижение раСО2

, обнаруживаемое на уровне порога анаэробного обмена (около 60% max V·

О2), соответ-

ствует началу респираторной компенсации метаболического аци-доза, возникающего вслед за повышением скорости образования молочной кислоты при активации анаэробного гликолиза в рабо-тающих мышцах.

Показателем, непосредственно отражающим эффективность легочной респирации при мышечных нагрузках, может служить вентиляционный эквивалент работы (V·

E/W· ). Изменения вен-тиляционного эквивалента работы отложены против значений


256

относительной мощности, измеряемой в единицах максимального метаболического уровня, на рис. 8.5. Общий характер изменений вентиляционного эквивалента работы, зафиксированный в раз-ных видах упражнений (беге, велосипедных гонках, плавании), примерно одинаков: в умеренных нагрузках, не превышающих значений порога анаэробного обмена, значения (V·

E/W· ) возрас-тают линейно вместе с мощностью выполняемого упражнения, но скорость этого прироста заметно различается в разных ви-дах упражнений: при выполнении упражнений в плавании она составляет 13,3 л V·

E на 1 ед. MMR, в работе на велоэргометре – 14,0 л V·

E на 1 ед. MMR, а в беге – 15,0 л V·E на 1 ед. MMR.

Рис. 8.5. Изменения вентиляционного эквивалента работы при выполнении упражнений разного вида с повышающейся мощностью:

По оси ординат – значения вентиляционного эквивалента работы, л V.

E/Вт.По оси абсцисс – значения относительной мощности упражнения, ед. MMR

Наглядным примером того, как наблюдаемые различия в эффек-тивности легочной вентиляции сказываются на показателях спор-тивной работоспособности, могут служить результаты контроль-ных испытаний спортсменов высокой квалификации в повторном беге на 1000 м с последовательно увеличивающейся скоростью преодоления дистанции (рис. 8.6). Результаты, зафиксированные при повторном преодолении этой дистанции с постепенно уве-личивающейся скоростью бега, показывают, что значения венти-ляционных эквивалентов для потребления О2 и выделения СО2


257

экспоненциально возрастают по мере увеличения скорости бега. Отмеченные на графике значения критических скоростей бега, при которых линейное увеличение вентиляционных эквивалентов переходит в фазу их экспоненциального роста, соответствуют ло-кализации аэробного и анаэробного порогов на шкале эргометри-ческих показателей, а расстояние между этими критическими зна-чениями скорости бега эквивалентно дистанции изокапнического буферирования. Установление значений вентиляционных эквива-лентов в этих критических режимах мышечной деятельности мо-жет быть использовано в качестве физиологических нормативов для оценки аэробной эффективности обследуемых лиц.

Рис. 8.6. Изменения вентиляционного эквивалента для потребления О2 и выделения СО2 при повторном беге на 1000 м с повышающейся скоростью:

По оси ординат – значения вентиляционного эквивалента для О2 и СО2.По оси абсцисс – скорость бега, м/с

В этом феномене четко проявляется общая биологическая за-кономерность: повышение мощности совершаемой биологиче-ской работы всегда ведет к снижению ее эффективности [393]. И, как видно из анализа вышеприведенной зависимости, это по-ложение в полной мере относится к работе аппарата легочного дыхания.

Для установления значимости факторов дыхания при испол-нении длительных упражнений умеренной интенсивности стро-го систематизированные оценки уровня аэробной работоспособ-ности могут быть выведены по результатам кластерного анализа. На рис. 8.7, где суммированы данные об интеркорреляции различ-ного рода эргометрических и физиологических измерений при

VV

VV

,


258

Рис. 8.7. Результаты кластерного анализа экспериментальных данных, зафиксированных при выполнении длительных упражнений аэробного типа:

По оси ординат – ранг измеряемого показателя.По оси абсцисс – значения коэффициента корреляции

15


259

выполнении упражнений в диапазоне от мощности порога анаэ-робного обмена до критической мощности, явно выделяется кла-стер, включающий в себя все наиболее значимые вентиляторные показатели, в том числе и показатели респираторной эффектив-ности.

Суммируя результаты экспериментального изучения роли фактора дыхания при выполнении длительных упражнений на уровне порога анаэробного обмена, следует признать, что в этих условиях мышечной активности человека состояние его физи-ческой работоспособности во многом зависит от эффективности функционирования системы легочной респирации. В целях осу-ществления мониторинга состояния физической работоспособ-ности при умеренных мышечных нагрузках в качестве наиболее информативных критериев следует рекомендовать проведение измерений и расчет таких показателей, как АеТ, АТ, вентиля-ционный эквивалент работы (V·

E/W.

), вентиляционные эквива-ленты для V·

О2 и V·

СО2, а также уровня суммарной вентиляционной

стоимости упражнения (Σ∆V·Е/tпр).

8.3. Лимитирующая роль факторов дыхания при кратковременных мышечных нагрузках

анаэробного характера

К нагрузкам анаэробного типа относятся кратковременные упражнения, выполняемые на уровне мощности истощения и максимальной анаэробной мощности, т.е. нагрузки, локализо-ванные в зонах работ большой, субмаксимальной и максимальной мощности по классификации В.С. Фарфеля [93]. В этих зонах в энергетике мышечной работы наблюдается постепенный пере-ход от максимальной мобилизации резервов аэробной системы к преимущественно анаэробному типу энергообеспечения, внача-ле – к анаэробному гликолитическому, а затем – и к анаэробному алактатному (фосфагенному). Основным фактором, лимитирую-щим работоспособность человека в условиях кратковременных мышечных усилий анаэробного типа, является быстро развиваю-щийся метаболический ацидоз, исчерпывающий буферные резер-вы организма и приводящий к развитию острого, трудно преодо-лимого утомления при работе. Наивысшие размеры и скорость развития метаболического ацидоза наблюдаются при мышечных нагрузках, выполняемых в районе мощности истощения. Повы-шение концентрации Н+ в межклеточной среде и плазме крови


260

Рис. 8.8. Изменения уровня легочной вентиляции в зависимости от величины снижения показателя рН крови при беге с разной скоростью:

По оси ординат – уровень легочной вентиляции, л/мин.По оси абсцисс – снижение показателя рН от его значения

в состоянии покоя, отн. величины

служит непосредственным стимулом для центра респираторной регуляции, что вызывает усиление альвеолярной вентиляции. Вымывание СО2 при усиленной альвеолярной вентиляции в лег-ких вызывает выраженный отток СО2 из крови, что сопровожда-ется снижением артериального рСО2

. Уменьшение концентрации СО2 в плазме крови ускоряет процесс рекомбинации Н+ и НCO3

–

и снижает этим концентрацию свободных ионов Н+, поэтому увеличение уровня легочной вентиляции при работе выполняет роль своеобразного физиологического буфера, предохраняюще-го организм работающего человека от чрезмерного закисления. Вентиляционная недостаточность, обнаруживаемая при предель-ной работе анаэробного характера, усиливает степень закисления в тканях, что ведет к снижению активности ключевых ферментов, участвующих в регуляции скорости энергетических процессов в организме. Учитывая эти факты, следует ожидать при выпол-нении кратковременных упражнений анаэробного характера пре-дельно высоких значений уровня легочной вентиляции и резкого падения показателей респираторной эффективности. На справед-ливость этого предположения указывают, в частности, данные об изменениях уровня легочной вентиляции при различных величи-нах прироста значений показателя рН в крови (ΔрН) у высоко-квалифицированных спортсменов при беге с разной скоростью (рис. 8.8). В широком диапазоне нагрузок, вблизи от мощности


261

истощения, показатели уровня легочной вентиляции возраста-ют в линейной зависимости от степени закисления крови. Наи-более высокие значения уровня легочной вентиляции – около 180 л/мин – достигаются при мощности истощения, когда значе-ния рН крови опускаются ниже отметки 7,0. Так, например, у ре-кордсмена страны в беге на 800 м В. Бу. в одном из соревнований, где были выполнены измерения показателей кислотно-щелочного равновесия крови с одновременной фиксацией респираторных показателей, при значениях концентрации молочной кислоты в крови 412 мг%, рН крови 6,76 и размерах кислородного долга в 25,2 л уровень легочной вентиляции на финише бега составил 232 л/мин. При таком предельном форсировании уровня респи-раторной активности о какой-либо эффективности речи и быть не может, она здесь не играет сколь-либо существенной роли.

В этих условиях лимитирующая роль дыхания проявляется двояким образом:

– в форме непосредственного участия в компенсации бурно развивающегося метаболического ацидоза и отдаления момента наступления непреодолимого утомления;

– в форме повышения показателей аэробной мощности и эф-фективности, снижающих скорость развития анаэробных сдвигов в работающих мышцах и стабилизирующих состояние кислотно-щелочного равновесия во внутренних средах организма.

Наряду с отмеченными выше обстоятельствами следует также отметить и важную роль легочной вентиляции в регламентиро-вании состояния сверхутилизационной гипоксии, развивающей-ся при предельно напряженной мышечной деятельности [32, 58, 303], хотя это состояние в большей степени обусловлено не ли-митацией со стороны уровня легочной вентиляции, а процессами оксигенации крови в легких на фоне резко возрастающего кисло-родного запроса при напряженной мышечной деятельности.

На рис. 8.9, где представлены данные кластерного анализа, выполненного по результатам экспериментальных измерений в кратковременных упражнениях анаэробного типа, показатели, отражающие максимальные сдвиги в работе аппарата внешнего дыхания и размерах происходящих изменений в процессах анаэ-робного метаболизма, образуют единую корреляционную кон-стелляцию.

Таким образом, основываясь на изложенных выше фактах, мы можем утверждать, что при предельных мышечных нагрузках


262

Рис. 8.9. Кластеризация показателей респираторной функции в кратковременных упражнениях анаэробного типа:

По оси ординат – ранг замеряемого показателя.По оси абсцисс – значения коэффициента корреляции


263

анаэробного характера мобилизуются все резервы дыхательной системы, вплоть до полного использования форсированной мощ-ности вентиляторного аппарата. И, коль скоро речь идет о нагруз-ках, практикуемых в условиях спортивного соревнования, здесь не последнюю роль играет волевое усилие человека (свойствен-ное, в особенности, спортсменам высшей квалификации): c уста-новкой – любой ценой показать высший результат!

8.4. Дыхание и повторная мышечная работа

При повторной работе достигаемые эффекты в изменени-ях респираторных функций могут заметно модифицироваться с увеличением числа повторно выполняемых упражнений, и эти эффекты зависят от избранных значений мощности и продолжи-тельности исполняемых упражнений, а также длительности зада-ваемых пауз отдыха.

На рис. 8.10 и 8.11 представлена динамика уровня легочной вентиляции и избыточного выделения СО2 при выполнении кратковременных 10-секундных упражнений при двух различных мощностях – максимальной (рис. 8.10) и критической (рис. 8.11) с различной длительностью интервалов отдыха.

Отслеживая общий ход динамики уровня легочной вентиля-ции при повторных мышечных нагрузках максимальной мощ-ности, следует отметить, что быстрое экспоненциальное возрас-тание пиковых значений легочной вентиляции здесь отмечается на первых 3–4 повторениях упражнения, при большем числе по-вторений упражнений пиковый уровень легочной вентиляции устанавливается вблизи стационарных значений, не превышаю-щих таковых для оптимальных режимов легочной вентиляции (не выше 140 л/мин). При интервалах отдыха от 1 мин и более пиковые значения уровня легочной вентиляции приходятся не на периоды упражнения, а на первую минуту пауз отдыха, и эти пи-ковые значения уровня легочной вентиляции возникают вслед за возрастанием уровня избыточного выделения СО2.

При повторном выполнении кратковременных упражнений на критической мощности общая картина динамики респираторного ответа в целом сохраняется, но стационарный уровень для пико-вых значений легочной вентиляции здесь существенно ниже, даже в наиболее напряженных режимах работы с паузами отдыха мень-ше 30 с. Этот уровень обычно не превышает значений 60 л/мин.


264

Рис. 8.10. Динамика уровня легочной вентиляции и ЕхсСО2 при повторном выполнении 10-секундных упражнений максимальной мощности

с паузами отдыха различной продолжительности:По оси ординат – значения уровней легочной вентиляции и ЕхсСО2, л/мин.По оси абсцисс – общее время повторной работы, мин (а – при 10-секундных

паузах отдыха, б – при 30-секундных паузах отдыха, в – при 60-секундных паузах отдыха, г – при 3-минутных паузах отдыха)

a

150


265

Рис. 8.11. Динамика уровня легочной вентиляции и ЕхсСО2 при повторном выполнении 10-секундных упражнений критической мощности с паузами

отдыха различной продолжительности:По оси ординат – значения уровней легочной вентиляции и ЕхсСО2, л/мин.

По оси абсцисс – общее время повторной работы, мин

a


266

Динамику содержания молочной кислоты в крови и показате-лей кислотно-щелочного равновесия при повторном выполнении 10-секундных упражнений с максимальной мощностью иллю-стрирует рис. 8.12. Здесь будет интересно отметить, что макси-мальные значения накопления молочной кислоты в крови и наи-большие сдвиги в показателях кислотно-щелочного равновесия при повторениях упражнения с различными паузами отдыха до-

Рис. 8.12. Динамика концентрации молочной кислоты и показателей кислотно-щелочного равновесия крови при повторном выполнении

10-секундных упражнений максимальной мощности с паузами отдыха различной продолжительности:

По оси ординат: а – значения ВЕ, мэкв/л, б – значения рН крови, в – значения концентрации молочной кислоты, мг%.

По оси абсцисс – общее время повторной работы, мин (1 – паузы отдыха 10 с, 2 – паузы отдыха 30 с, 3 – паузы отдыха 60 с, 4 – паузы отдыха 3 мин.

Темными квадратами в нижней части графика обозначены периоды работы)


267

стигаются при том числе повторений упражнения, когда уровень легочной вентиляции достигает своих наивысших, пиковых, зна-чений.

Динамика уровня легочной вентиляции и избыточного вы-деления СО2 при повторном выполнении 45-секундных упраж-нений с предельной мощностью представлена на рис. 8.13. Соот-ветствующие этим значениям показатели накопления молочной кислоты в крови изображены на рис. 8.14. По общей направлен-ности физиологического воздействия этот режим повторной ра-боты соответствует диапазону нагрузок анаэробного гликолити-ческого характера, выполняемых на уровне мощности истощения. Наиболее высокие значения уровня легочной вентиляции здесь всегда отмечаются во время выполнения упражнений, и они точ-но соответствуют изменениям концентрации молочной кислоты в крови.

Рис. 8.13. Динамика уровня легочной вентиляции и избыточного выделения СО2 при 45-секундных упражнениях предельной мощности, выполняемых

с различными паузами отдыха:По оси ординат – уровень легочной вентиляции и ЕхсСО2, л/мин.

По оси абсцисс – общее время повторной работы, мин (а – паузы отдыха 45 с, б – паузы отдыха 90 с, в – паузы отдыха 3 мин, г – паузы отдыха 6 мин)

a


268

Динамику уровня легочной вентиляции и избыточного выде-ления СО2 при повторном выполнении 3-минутных упражнений с критической мощностью с равными по длительности интерва-лами отдыха иллюстрирует рис. 8.15. Здесь следует отметить, что при таком соотношении работы и отдыха наибольшие изменения

Рис. 8.14. Динамика концентрации молочной кислоты в крови при 45-секундных упражнениях предельной мощности, выполняемых

через интервалы отдыха различной продолжительности:По оси ординат – концентрация молочной кислоты в крови, мг%.

По оси абсцисс – общее время повторной работы, мин (Кружками обозначены интервалы отдыха 45 с, треугольниками – интервалы отдыха 90 с, квадратами –

интервалы отдыха 3 мин, темными кружками – интервалы отдыха 6 мин)

Рис. 8.15. Динамика респираторных функций при повторном выполнении 3-минутных упражнений предельной мощности через равные

по длительности интервалы отдыха:По оси ординат – значения уровня легочной вентиляции и ЕхсСО2, л/мин.

По оси абсцисс – общее время повторной работы, мин

повторная работа восстановление ,


269

в респираторном ответе на нагрузку происходят во время выпол-нения упражнения, где уровень легочной вентиляции, как прави-ло, достигает своих стационарных значений.

Как показывают результаты проведенных исследований ре-спираторных изменений при повторной мышечной работе, ва-рьирование продолжительностью интервалов отдыха позволяет на практике осуществлять наиболее выраженное воздействие на показатели мощности и интенсивности вентиляционных сдвигов в ответ на повторную мышечную нагрузку, в то время как измене-ние параметров интенсивности и продолжительности выполняе-мого упражнения позволяет в большей степени воздействовать на функции, отражающие метаболическую емкость аэробного и анаэробных процессов.

С целью количественного анализа взаимосвязей, устанавли-вающихся между показателями респираторной активности чело-века и обобщающими критериями работоспособности в повтор-ной мышечной работе, наиболее оправданным будет использовать адаптационную зависимость «доза – эффект». Такая зависимость изображена на рис. 8.16. На оси ординат этого графика отложе-ны значения показателей уровня вентиляционной стоимости упражнения, регистрируемые при повторной мышечной работе, а на оси абсцисс – значения дозы физической нагрузки, пред-ставленной произведением интенсивности тренирующего воздей-ствия и продолжительности воздействия нагрузки, вызывающей адаптацию со стороны тренируемой функции. На данном графике в качестве сомножителей, определяющих дозу тренирующего воз-действия избранной физической нагрузки, используется произ-ведение показателей относительной мощности и суммарной про-должительности повторной работы, включающей общее время выполнения повторных упражнений, время пауз отдыха и время срочного восстановления, т.е. время первых 5 мин после заверше-ния повторной работы.

Как видно на приведенном графике, изменение уровня венти-ляционной стоимости в ответ на увеличение дозы тренирующе-го воздействия повторной работы имеет вид двухфазной экспо-ненциальной зависимости. Касательные линии, проведенные по точкам прироста значений уровня вентиляционной стоимости упражнений в фазах 1 и 2, пересекаются между собой в точке, соответствующей значению “overload”. Доза нагрузки, относя-щаяся к значению “overload”, разделяет между собой диапазоны


270

повторных нагрузок преимущественно аэробного воздействия, выполняемых на уровне критической мощности, и нагрузок анаэ-робного характера, выполняемых на уровне мощности истоще-ния и максимальной анаэробной мощности. В группе стайеров это значение дозы применяемых нагрузок локализуется на более высоком уровне, чем у спринтеров. В условиях проводимого экс-перимента, чтобы достичь выраженного тренирующего эффекта в отношении легочной вентиляции, обеспечивающей респиратор-ную компенсацию метаболического ацидоза при используемых повторных мышечных нагрузках, необходимо было увеличить дозу тренирующего воздействия свыше значения “overload”. Сле-дует отметить, что это значение может быть использовано толь-ко для тех случаев, когда в тренировке применяются повторные упражнения, близкие по своему характеру к изученным нами вариантам повторных нагрузок, а уровень физической подготов-ленности занимающихся соответствует уровню тренированности наших испытуемых. Для более широкого применения данного метода установления оптимальной дозы нагрузок требуется соз-

Рис. 8.16. Зависимость «доза – эффект», зафиксированная по показателям вентиляционной стоимости в повторных упражнениях различной

интенсивности у спортсменов разной специализации (спринтеров и стайеров):

По оси ординат – значения прироста уровня вентиляционной стоимости упражнения, л/мин. По оси абсцисс – доза тренирующего воздействия

(произведение уровня относительной мощности упражнения и суммарного времени воздействия нагрузки)

,

,


271

дание более объемного банка данных с включением других ви-дов повторных мышечных нагрузок для занимающихся с разным уровнем функциональной подготовленности.

8.5. Мышечная деятельность при увеличенном сопротивлении дыханию

Увеличенное сопротивление дыханию также представляет со-бой ситуацию, в которой организм вынужден при физической ра-боте использовать все (остающиеся) резервы дыхательной систе-мы. С этим фактором, неизбежно снижающим работоспособность, человек встречается в условиях патологии дыхательной системы, а также при использовании разного рода защитных масок, респи-раторов и при глубоководных погружениях акванавтов.

Рассмотрим данные экспериментов, где здоровые испытуемые выполняли работу нарастающей интенсивности на фоне искус-ственного дозированного сопротивления дыханию. С этой целью используют обычно добавочное неэластическое (аэродинамиче-ское) сопротивление потоку воздуха на вдохе и/или на выдохе – так называемую резистивную нагрузку. Включение такой нагрузки вызывает повышение активности респираторных мышц, направ-ленное на ее преодоление и на поддержание требуемого уровня альвеолярной вентиляции [14, 15, 192]. Тем не менее уже при не-большой резистивной нагрузке наблюдается падение МВЛ, кото-рая убывает пропорционально корню квадратному из величины добавочного сопротивления дыханию [57]. Закономерно снижает-ся и пиковый уровень вентиляции при максимальной мышечной нагрузке. В условиях тяжелой работы особенно неблагоприятно сказывается ограничение экспираторного потока: уменьшается глубина дыхания, растет конечно-экспираторный легочный объем, увеличиваются перепады внутригрудного давления, развивается тяжелая одышка, и в итоге уменьшается предельно выполнимая работа [263, 324].

Таким образом, при увеличении сопротивления дыханию про-исходит сближение величины функционального резерва дыхания с убывающей МВЛ, отражающей снижение форсированной мощ-ности дыхательного аппарата, которая в этой ситуации становит-ся фактором, жестко ограничивающим физическую работоспо-собность [4, 82].

Пример влияния добавочного сопротивления дыханию на ве-личину предельно переносимых нагрузок приведен в табл. 8.1.


272

Таблица 8.1Физиологические лимиты интенсивности работы при различных

градациях резистивного сопротивления дыханию

Сопротивление,см вод. ст./л/с

Нагрузка, % max V·О2

,кратковременная

Нагрузка, % max V·О2

, длительная

11 72 58

16 72 60

25 69 49

40 60 43

57 54 35

Приведенные данные свидетельствуют о неоднозначной роли дыхательной системы в ограничении физической работоспособ-ности человека.

Во время работы предельно переносимой мощности легочная вентиляция возрастает до уровня, который мы обозначаем как функциональный резерв дыхания. В обычных условиях (рис. 8.17, а) этот уровень не достигает значений максимальной вентиляции лег-ких (МВЛ), измеряемой в тесте с произвольным кратковременным форсированием дыхания, поскольку поддержание МВЛ сопря-

Рис. 8.17. Соотношения между уровнем легочной вентиляции в покое (1), функциональным резервом дыхания (2), уровнем максимальной вентиляции

легких (3) и уровнем аэробной работоспособности (4):а – в обычных условиях, б – при предельных истощающих нагрузках,

в – при наиболее высоких значениях искусственно повышенного сопротивления дыханию (по И.С. Бреславу и др. [19])


273

жено с избыточным расходом энергии на работу респираторных мышц. По-видимому, даже при максимальной физической нагруз-ке организм ограничивается неким оптимальным уровнем рабо-чего гиперпноэ, превышение которого оказывается энергетически нецелесообразным. Напряжение дыхательной функции выступает здесь как один из факторов, лимитирующих мощность аэробной нагрузки, – наряду с напряжением других функций, обеспечиваю-щих мышечную деятельность, в том числе функции кровообраще-ния. Иными словами, ни дыхание, ни какая-либо иная функция не может рассматриваться в качестве единичного фактора, ограничи-вающего физическую работоспособность [393].

В этом плане МВЛ вряд ли может служить адекватной физио-логической мерой резервов системы дыхания и, скорее, должна рассматриваться как форсированная мощность вентиляторного аппарата, биомеханический предел его функциональных возмож-ностей. Реально такой предел достигается лишь при экстремаль-ных анаэробных нагрузках, когда человек – как правило, элитный спортсмен – выполняет работу исключительно высокой интен-сивности (рис. 8.17, б).

И, безусловно, ведущим фактором ограничения физической ра-ботоспособности дыхательная система становится в том случае, когда работа выполняется на фоне сниженной ее дееспособности, например при увеличенном сопротивлении дыханию. В этом слу-чае человеку приходится использовать весь (причем уменьшен-ный) резерв форсированной мощности вентиляторного аппара-та, и предельно переносимая интенсивность работы оказывается уменьшенной (рис. 8.17, в).

Анализируя факторы, лимитирующие физическую работоспо-собность, не следует забывать, что мышечная деятельность чело-века относится к функциям произвольного характера. А следова-тельно, действие таких факторов ведет в определенных условиях к прекращению работы опосредованно, вынуждая человека принять осознанное решение о невозможности ее продолжать. В следую-щей главе мы рассмотрим, как воспринимается мышечная нагруз-ка, как формируется отказ и какова здесь роль функции дыхания.


Воздействия со стороны изменяющихся в процессе мышечной работы функций легочного дыхания на физическую работоспо-собность человека носят неоднозначный характер. При умерен-


274

ных нагрузках, не превышающих значений анаэробного порога, влияния со стороны функций внешнего дыхания более всего про-являются в показателях аэробной эффективности, в частности, в показателях вентиляционного эквивалента для О2 и СО2, вен-тиляционного эквивалента работы, а также в расширении обла-сти изокапнического буферирования, ограниченной значения-ми порога аэробного обмена (АеТ) и анаэробного порога (АТ), т.е. DIВ=АТ–АеТ. На уровне критической мощности упражнения, где наряду с поставкой О2 к работающим тканям уровень легоч-ной вентиляции начинает играть важную роль в респираторной компенсации развивающегося метаболического ацидоза и где поддержание заданного уровня работы требует значительного усиления легочной вентиляции с энергетическими затратами на работу дыхательных мышц, составляющими 1/3 величины ре-гистрируемого при работе максимума потребления О2, влияние паттерна дыхания более всего проявляется в ограничении пока-зателей аэробной мощности. На уровне алактатного анаэробного порога (АlТ) и мощности истощения (W·

ист) эффекты со стороны резко увеличивающихся при работе респираторных функций за-метнее всего сказываются на показателях анаэробной емкости (максимум накопления молочной кислоты в крови, размеры мак-симального О2-долга), сдвигах кислотно-щелочного равновесия крови (ΔрН, ΔНCO3

–, ΔR) и показателях максимальной скорости активизации анаэробного гликолиза при работе (max HLa/t).

В упражнениях на уровне максимальной анаэробной мощно-сти эффекты со стороны функций легочного дыхания более все-го сказываются на параметрах алактатной анаэробной емкости и мощности (W·

max, AlO2D, ΔКрФ/t).Исходя из имеющихся экспериментальных фактов, при меди-

цинской диагностике физической работоспособности человека с использованием различных тестирующих процедур преимуще-ственное внимание следует уделять тем показателям респиратор-ных функций, которые в наибольшей степени коррелируют с до-минирующими в условиях проводимых испытаний показателями аэробной и анаэробной производительности. Такие показатели респираторных функций могут служить достоверными крите-риями (маркерами) специальной работоспособности при оценке воздействия применяемых тренировочных и соревновательных нагрузок в спорте и при построении наиболее эффективных про-грамм физической подготовки специальных контингентов.


275

ГЛАВА 9

Роль дыхания в восприятии нагрузки и формировании отказа от продолжения работы

Любая физическая работа сопровождается ощущениями мы-шечных усилий, прилагаемых для преодоления действующей нагрузки. Такие ощущения лежат в основе восприятия нагрузки, точнее – самооценки человеком ее интенсивности. Когда мышеч-ная нагрузка достигает определенной величины, соответствую-щие ощущения могут заставить человека прекратить работу – наступает отказ.

Рассматриваемые ощущения первично базируются, есте-ственно, на афферентации из рецепторов работающих мышц [321]. Вместе с тем в восприятии физической нагрузки участвуют и вегетативные компоненты реакции на мышечную деятельность, преимущественно – реакция дыхания. Напомним, что из всех вегетативных функций только дыхание, в силу принадлежности респираторных мышц к «произвольной» мускулатуре, доступ-но осознанному восприятию, о чем подробно говорилось в гл. 3. Поэтому прежде всего остановимся на той роли, которую играют дыхательные ощущения в самооценке мышечной работы.

9.1. Дыхание и самооценка нагрузки

Для количественного выражения оценки, которую человек дает трудности выполняемой им работы (интенсивность воспри-нимаемой нагрузки, ИВН; Ratings of Perceived Exertion, RPE), при-нято использовать шкалу Борга [133], приведенную нами в гл. 3 (табл. 3.1) в аспекте самооценки одышки.

ИВН представляет собой функцию развиваемого мышечного усилия. Этот показатель тем больше, чем больше вовлеченная


276

в работу мышечная масса. В многочисленных исследованиях с нарастающей динамической нагрузкой на велоэргометре или тредмиле показано, что ИВН тесно коррелирует с показателями, отражающими интенсивность метаболизма, и прежде всего с по-треблением кислорода [134]. В частности, выявлена закономер-ная связь между ИВН и концентрацией лактата в крови [154]. Интересно, что в зоне порога анаэробного обмена величина ИВН у каждого испытуемого оказалась довольно стабильной [238].

Но особо тесная связь проявляется между ИВН и происходя-щим при физической работе ростом легочной вентиляции [295]. Данный факт требует некоторых пояснений.

Известно, что более или менее напряженная работа сопровож-дается ощущениями определенного затруднения дыхания, ко-торые принято характеризовать как одышку. (Анализ феномена одышки был дан в гл. 3.) Количественную оценку этих ощущений по шкале Борга обозначают как интенсивность воспринимаемой одышки, ИВО (Ratings of Perceived Dyspnea, RPD) [9, 137, 138].

Выяснилось, что в условиях прогрессирующей физической на-грузки ИВО растет почти параллельно ИВН и тесно коррелирует с последней; иными словами, чем выше оценка испытуемым труд-ности выполняемой работы, тем интенсивнее и ощущение затруд-нения дыхания. Как ИВН, так и ИВО показали хорошую корре-ляцию также с ростом легочной вентиляции (V·

E), причем одышка усиливается по мере приближения МОД к уровню максимальной вентиляции легких [172]. В меньшей степени ИВН и ИВО корре-лируют с потреблением кислорода (V·

О2) и коэффициентом дыха-

тельного газообмена (RER). Еще менее тесная связь обнаружена между ИВО и частотой сердечных сокращений (HR) (табл. 9.1).

Таблица 9.1Коэффициенты корреляции между интенсивностью восприятия

нагрузки (ИВН) и одышки (ИВО) и физиологическими показателями при нарастающей нагрузке (тредмил) у молодых легкоатлетов

(n = 90), по [138]

ИВО V·E V

·О2

RER HR

ИВН 0,995 0,958 0,902 0,885 0,882

ИВО – 0,947 0,889 0,877 0,812

Можно предположить, что напряжение респираторной функ-ции, воспринимаемое как дыхательный дискомфорт, играет важ-


277

нейшую роль в общем восприятии интенсивности выполняемой мышечной работы. Чтобы яснее представить сущность этой свя-зи, следует рассмотреть сенсорный аспект физиологических меха-низмов, контролирующих как локомоторные акты, так и дыхание.

Восприятие физической нагрузки опосредовано импульсацией из механорецепторов сокращающихся мышц, соответствующих сухожилий и суставов, а также, вероятно, командными сигналами из двигательных центров коры – причем вклад этого кортикофу-гального компонента тем больше, чем длительнее усилие [212]. Кортикофугальный сигнал, несущий команду мышцам, одновре-менно передается в сенсорную кору. Таков механизм прямой связи. Механизм обратной связи представлен афферентной сигнализа-цией, которая включает, в частности, сравнение «задающего» сиг-нала, поступающего к мышце через спинальные альфа-нейроны, и фактического ее сокращения, контролируемого гамма-петлей, связанной с интрафузальными волокнами. Таким образом, фор-мирование самооценки человеком мышечной нагрузки является результатом взаимодействия центральных и периферических зве-ньев аппарата управления движениями, его прямых и обратных связей (рис. 9.1) [151].

Аналогичный механизм лежит в основе восприятия дыха-тельных усилий [12]. Здесь важную роль играет афферентация из проприоцепторов дыхательных мышц, главным образом меж-реберных, обусловленная рассогласованием между командами центрального дыхательного механизма и фактическими сокраще-ниями этих мышц [44].

Напомним: проприоцепторы респираторных мышц вообще служат источником ощущений, позволяющих человеку оцени-вать параметры своего дыхания (см. гл. 3). Установлено, что во время физической нагрузки точность такой самооценки снижает-ся – очевидно, из-за роста метаболического (связанного со сти-муляцией хеморецепторов) компонента в регуляции дыхания. Так, испытуемые – молодые спортсмены – ощущали рост легоч-ной вентиляции (ориентируясь главным образом по увеличению своего дыхательного объема), только когда он достигал пороговой величины 13–16 л/мин [89].

Интенсивность одышки, количественно оцениваемая испы-туемыми, оказалась пропорциональной несоответствию легоч-ной вентиляции метаболическим потребностям организма – как в сторону гиповентиляции, так и в сторону гипервентиляции


278

[336]. Поскольку, как указывалось, одышка становится особенно интенсивной, когда МОД приближается к уровню МВЛ, удобным для ее оценки является «диспноический индекс», выражающий процентное отношение рабочего гиперпноэ к МВЛ [172].

Рис. 9.1. Схема восприятия мышечной нагрузки:1 – механизм прямой связи; 2 – механизм обратной связи; 3 – сравнение сигналов прямой и обратной связи; МК, СК – соответственно моторная

и сенсорная кора; α – соответствующие спинальные мотонейроны; М – мышца; ИВ – интрафузальное волокно (веретено).

По Е. Cafarelli, 1982, с изм.

Изложенные сведения указывают на единый характер воспри-ятия мышечной нагрузки и дыхательных усилий, сопровождаю-щих рабочее гиперпноэ. В самом деле, человеку, выполняюще-му напряженную мышечную работу, трудно дифференцировать между собой два этих фактора. Любопытен расчет, связывающий мощность и длительность субмаксимальной работы на велоэрго-метре с ИВН и ИВО: при удвоении интенсивности работы вос-принимаемое испытуемыми усилие мышц ног растет в 4,4 раза, одышка – в 5,3 раза; при удвоении продолжительности работы со стабильной нагрузкой эти показатели увеличиваются в 1,3


279

и 1,4 раза соответственно [288]. Налицо определенное подобие в соотношениях ИВН и ИВО. Кстати, заслуживает внимания тот факт, что оба показателя возрастают в зависимости не только от интенсивности, но и от длительности работы – как вероятное следствие процесса утомления.

На рис. 9.2 мы попытались представить общие механизмы вос-приятия мышечной нагрузки. Моторные центры генерируют ко-мандные сигналы, которые поступают к локомоторным мышцам, а также активируют структуры, обеспечивающие вегетативные компоненты мышечной деятельности, в том числе центральный дыхательный механизм. Последний стимулируется также им-пульсацией из хеморецепторов, возбуждаемых такими продук-тами мышечного метаболизма, как СО2, молочная кислота. Про-исходящая при этом активация механорецепторов локомоторных и, наряду с ними, дыхательных мышц служит важнейшим источ-

Рис. 9.2. Модель механизмов, участвующих в восприятии нагрузки:[La], [H+], рСО2 – соответственно концентрация молочной кислоты, водородных

ионов и напряжение СО2 в артериальной крови; МР, ХР – соответственно механо- и хеморецепторы; ОУ – ощущение усилия; ОД – ощущение одышки;

ООН – ощущение общей нагрузки. Штриховые линии – гипотетические связи


280

ником ощущений «рабочих» и дыхательных усилий. Интеграция соответствующих афферентных стимулов происходит, очевидно, в сенсорной коре. Не исключено, что в такой интеграции участву-ют также командные сигналы, связанные с мотивацией и с актива-цией двигательных центров.

Можно считать, что восприятие одышки в сущности является неотъемлемым компонентом восприятия физической нагрузки. В таком плане становится понятной отмеченная выше тесная связь между ИВН и ИВО, а также высокая корреляция обоих по-казателей с МОД.

В этом же смысле следует трактовать упомянутую связь ИВН с концентрацией молочной кислоты в крови: так, спортсмены оце-нивают одну и ту же нагрузку ниже, чем неспортсмены, что объ-ясняют наблюдаемым в ходе тренировки повышением лактатного порога [134]. Очевидно, такая связь – не прямая, а опосредованная уровнем легочной вентиляции, который, в свою очередь, зависит и от концентрации водородных ионов в крови. Это подтверждает-ся следующим экспериментом. Когда у испытуемых, работавших на велоэргометре, создавали (пероральным введением NaHCO3) алкалоз, ИВН снижалась в строгом соответствии с уменьшением МОД, хотя нагрузка оставалась постоянной [371]. Следователь-но, ИВН непосредственно связана не с лактатным порогом как таковым, а с так называемым вентиляторным порогом – хотя оба порога, конечно, обусловлены накоплением молочной кислоты в крови.

Об участии восприятия дыхательных усилий (обусловленных именно уровнем легочной вентиляции) в самооценке физических нагрузок свидетельствует и следующее наблюдение. Испытуе-мые, выполнявшие работу на тредмиле, должны были с помощью биоуправления всемерно снижать свою вентиляцию, тем самым уменьшая вентиляторный эквивалент кислорода (V·

E/V·О2

). В ре-зультате у них, в числе прочих сдвигов, существенно снижалась также ИВН [134].

Логично предположить, что человек оценивает ту или иную физическую нагрузку не только по затратам на внешнюю, полез-ную, работу, но и по интегральной «стоимости» всех функций, уча-ствующих в обеспечении мышечной деятельности, – и в первую очередь дыхания. И когда такая самооценка нагрузки достигает определенного, критического, значения, следует отказ продолжать работу. На этом феномене стоит остановиться специально.


281

9.2. Феномен отказа и дыхание

Объем выполняемой человеком мышечной работы бывает ограничен ее интенсивностью и/или длительностью. Это огра-ничение и проявляется в наступающем раньше или позже отказе от ее продолжения.

В англоязычных публикациях используют в данном значении термин “exhaustion”, т.е. истощение, изнеможение, которое неред-ко отожествляют с утомлением. Действительно, момент отказа в большинстве случаев непосредственно следует за развитием утомления. (Проблеме утомления посвящено огромное количе-ство литературы, и мы ее здесь рассматривать не будем.) Одна-ко феномен отказа не идентичен утомлению и не исчерпывается последним. Признаки утомления отражают процесс постепенно-го снижения работоспособности, и точные временные парамет-ры этого процесса трудно определить, тогда как отказ наступает одномоментно, дискретно и проявляется в полном прекращении работы, мотивируемом непереносимостью данной нагрузки. Та-ким образом, отказ, в отличие от утомления, – это реакция одно-моментного, триггерного характера. В сущности, отказ служит защитным механизмом, который призван предотвращать пере-расходование энергоресурсов и другие неблагоприятные сдвиги в организме.

Как и в предыдущих разделах, здесь речь пойдет об отказе, на-ступающем в ходе работы циклического характера – бега, плава-ния, гребли и т.п. Мы не будем касаться предельных нагрузок су-губо анаэробного типа: такие нагрузки могут переноситься всего несколько секунд, поскольку, помимо быстрого израсходования мышечного фосфагена, моторные центры оказываются просто не-способными генерировать командные импульсы достаточно вы-сокой частоты [393].

Совершенно ясно, что при прочих равных условиях длитель-ность работы до отказа (Тlim) тем меньше, чем больше мощность выполняемой работы. Эта фундаментальная зависимость обычно изображается гиперболической кривой (рис. 9.3). Конечно, реаль-ные величины Тlim подчас существенно различаются – в первую очередь это зависит от тренированности человека.

Каковы конкретные факторы, приводящие к отказу?Сюда относится, разумеется, ряд биохимических сдвигов

в организме, в том числе истощение энергетических ресурсов работающих мышц. Так, содержание гликогена в работающих


282

мышцах к моменту отказа оказывается чрезвычайно низким или даже приближается к нулю [386]. Сюда же относится рост кон-центрации молочной кислоты в мышечной ткани и в крови и со-путствующий ацидоз, наступающий когда нагрузка по интенсив-ности превышает порог анаэробного обмена (ПАНО). Эти сдвиги нарушают сократительную способность мышц [28]. В конечном счете они обусловлены недостаточностью систем, обеспечиваю-щих доставку кислорода работающим мышцам, что сопряжено с развитием некомпенсированной гипоксии [32]. Дело в том, что дополнительное количество кислорода, поступающее в кровь бла-годаря рабочему гиперпноэ, «съедается» дыхательными мышца-ми (см. гл. 6). Правда, сама по себе гипоксемия как таковая непо-средственно на время наступления отказа может не влиять [127]. Этот фактор, как было показано [11], не находит адекватного от-ражения в ощущениях человека. Критерием резервов системы кислородного транспорта служит, как известно, максимальное потребление кислорода (max V

.О2

). И естественно, чем ближе мощ-ность мышечной нагрузки к этой величине, тем скорее наступает отказ (табл. 9.2).

В гл. 6 уже был рассмотрен вопрос о месте дыхательной си-стемы в ряду факторов, ограничивающих аэробную работоспо-собность в целом. Здесь же обсудим конкретную роль дыхания в формировании отказа от продолжения работы.

Рис. 9.3. Зависимость длительности работы до отказа от мощности нагрузки:

По оси ординат – время, мин; по оси абсцисс – мощность, Вт. КМ – критическая мощность нагрузки (объяснение в тексте).

По D. Hill, 1993, с изм.


283

Таблица 9.2

Зависимость между мощностью выполняемой работы (W.

) по отношению к максимальному потреблению кислорода (max V

·О2

) и длительностью работы до отказа (Тlim)

W·, % W

·, при max V

.О2

Tlim, мин Источник

75 106 Casey et al., 1994

85 31 Johnson et al., 1992

90 18 Billat et al., 1995

95 14 Johnson et al., 1992

Характеризуя закономерности самооценки, которую человек дает тяжести выполняемой им физической работы, мы подчерк-нули, сколь важную роль здесь играют ощущения дыхательного дискомфорта (одышки). Одышка у здорового человека (неспортс-мена) становится значительной, когда рост МОД достигает 60–70% максимальной легочной вентиляции (МВЛ), что соот-ветствует нагрузке, несколько превышающей порог анаэробного обмена. Этот момент может совпадать с переходом на частое, по-верхностное дыхание и гипервентиляцию, обусловленную «анти-ципацией боязни работы» [456]. Подобный, явно не оптимальный паттерн дыхания служит одним из симптомов приближающегося отказа [11, 12, 53, 138].

По данным, полученных в исследованиях с молодыми спортс-менами при работе на тредмиле с нарастающей мощностью, ин-тенсивность воспринимаемой нагрузки (ИВН) к моменту отказа в среднем достигала 8,2, а интенсивность воспринимаемой одыш-ки (ИВО) – 7,4 балла по 10-балльной шкале Борга (рис. 9.4). Причем как главную мотивировку своего отказа испытуемые в 52% случаев указали мышечный дискомфорт, вплоть до болей в мышцах ног, в 48% – затруднение дыхания [138]. Что касает-ся мышечных болей как одного из поводов к отказу [417], то они могут являться, помимо других причин, следствием превышения лактатного порога: увеличение количества молочной кислоты в саркоплазматическом пространстве мышц и набухание их воло-кон может вызывать болевые ощущения.

Вместе с тем приведенные факты подтверждают предположе-ние о том, что одышка, точнее, ощущение напряжения дыхания, сопутствующее рабочему гиперпноэ, служит одним из важней-ших факторов, определяющих наступление отказа. Иначе говоря, выраженный дыхательный дискомфорт – это один из сигналов


284

к прекращению работы [295, 296]. Важно указать, что как мо-мент появления у испытуемых дыхательного дискомфорта, так и момент отказа коррелируют с определенными величинами их инспираторной активности [56].

Здесь уместно отметить, что дыхательный дискомфорт, внезапное появление резкой одышки – это и симптом так назы-ваемой мертвой точки, наступающей в определенный момент напряженной работы (преимущественно у нетренированного че-ловека) «между утомлением и отказом» [61, 306]. Действительно, в этот момент, обычно когда уровень метаболизма уже превос-ходит ПАНО, наблюдается предельное увеличение дыхательного объема за счет резервного объема вдоха, воспринимаемое как чув-ство нехватки воздуха. Преодоление мертвой точки характеризу-ется появлением второго дыхания: в этот момент дыхание стано-вится чаще и значительно облегчается, что позволяет продолжить работу [1, 390, 392]. Таким образом, мертвую точку можно рас-сматривать как «предварительный отказ», вызванный времен-ным рассогласованием в системе регуляции дыхания (возможно, и кровообращения) и/или утомлением мышц – прежде всего ре-спираторных.

Рис. 9.4. Динамика интенсивности воспринимаемой нагрузки (ИВН) и одышки (ИВО) при работе на тредмиле до отказа:

По оси ординат – ИВН (черные кружки) и ИВО (белые кружки), баллы; цифры под кружками – текущее потребление О2, л/мин.

По оси абсцисс – легочная вентиляция, л/мин. По И.С. Бреславу, Н.И. Волкову, 2002


285

Непосредственным источником ощущений со стороны ды-хания, побуждающих человека прервать работу, как и в других случаях дыхательного дискомфорта, следует считать афферен-тацию из проприоцепторов респираторных мышц, преимуще-ственно межреберных, напряжение которых особенно возрастает, когда нагрузка превышает ПАНО [55, 125]. Нельзя исключить, что здесь участвует и сигнализация из рецепторов растяжения диафрагмы, обусловленная нарушением ее расслабления [167]. На это указывает внезапное падение активности диафрагмально-го нерва, предшествующее второму дыханию [390].

Значение афферентной системы дыхательных мышц в меха-низме отказа подтверждается описанными в гл. 6 исследованиями эффектов добавочного сопротивления дыханию. Введение этого фактора вело (наряду с повышением активности межреберных мышц и диафрагмального нерва, уменьшением прироста легоч-ной вентиляции и, соответственно, развитием гиперкапнии) к за-кономерному укорочению времени работы до отказа и снижению ее предельной мощности [153, 231, 268, 344] (табл. 9.3). Причем следует отметить, что во время физической нагрузки ощущения затруднения дыхания, вызванные добавочным экспираторным со-противлением, становятся интенсивнее [287].

Таблица 9.3

Влияние добавочного сопротивления дыханию (R) нa легочную вентиляцию (V

·E) и альвеолярное напряжение СО2 (рАСО2

) при работе предельно переносимой мощности (W

·lim) в момент отказа

R, cм вод. ст./л/с V·E, л/мин рАСО2

, мм рт. ст. W·

lim, Вт

0 68 47 202

12 38 62 172

20 29 68 143

40 23 73 136

Интересно, что увеличение сопротивления дыханию при ра-боте на велоэргометре усиливает не только дыхательный, но и собственно мышечный дискомфорт: повышается как ИВО, так и ИВН. Авторы данного исследования [231] выдвинули ориги-нальное предположение: чем больше нагрузка на дыхательные мышцы, тем большая фракция минутного объема крови уходит на их перфузию, отчего страдает кровоснабжение нижних конечно-стей и ускоряется утомление мышц ног.


286

Вероятно, в процессе напряженной мышечной деятельности сигнализация из проприоцепторов мышц – и «рабочих», и дыха-тельных – интегрируется соответствующими сенсорными струк-турами мозга [297], где она, достигнув определенной интенсив-ности, формирует ощущение невозможности продолжать работу (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Главные факторы формирования отказа(по И.С. Бреславу, Н.И. Волкову, 2002)

Сюда может присоединяться непосредственное негативное влияние на функции центральной нервной системы со стороны таких факторов, как ацидоз, гипоксемия, гипогликемия, накопле-ние аммиака и кетоновых тел в крови, освобождение эндогенных опиоидов в мозгу, а также гипертермия [341, 388, 389, 456].

Наконец, нельзя не упомянуть и о существенной роли, кото-рую играют в генезе отказа факторы психологического характе-ра – главным образом мотивация человека. Однако рассмотрение данного аспекта выходит за рамки нашей темы.

* * * Оценка, которую дает человек тяжести выполняемой им ра-

боты, в значительной степени отражает его аэробную работоспо-собность. Многочисленные наблюдения показывают, что в такой самооценке мышечной нагрузки существенную роль играет раз-


287

вивающийся в процессе работы дыхательный дискомфорт, чув-ство одышки. Когда интегральная самооценка нагрузки, которая складывается в основном из ощущений мышечных усилий и со-путствующего напряжения функции дыхания, достигает опреде-ленного, критического, уровня, наступает отказ от продолжения работы. В отличие от предшествующего ему утомления, отказ является реакцией триггерного характера. Он защищает организм от истощения энергоресурсов и неблагоприятных сдвигов во внутренней среде.


288

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

О путях оптимизации дыхания при мышечной деятельности

Завершая рассмотрение роли дыхания в мышечной деятель-ности, следует еще раз подчеркнуть важность этой функции как одного из факторов, определяющих физическую работоспособ-ность человека, и попытаться наметить те или иные приемы, ко-торые позволят посредством воздействия на дыхание повысить эффективность мышечной работы и переносимость максималь-ных физических нагрузок.

Речь идет прежде всего о тренировке дыхания, главной целью которой является повышение работоспособности респираторной мускулатуры.

В данном направлении предпринимались многочисленные по-пытки. Мы не касаемся здесь как общепринятых, так и специаль-ных дыхательных упражнений, входящих в комплексы лечебной гимнастики, а приведем лишь подходы, имеющие прямое отноше-ние к проблеме улучшения аэробной работоспособности здорово-го человека.

О произвольном управлении дыханием при работе

Интересен вопрос: в какой степени человек способен к произ-вольному управлению дыханием в ходе самой мышечной работы? В принципе, наличие такой способности не вызывает сомнений: ведь некоторые виды спорта – например, плавание – вообще не-мыслимы без коррекции спортсменом своих дыхательных движе-ний. Тем не менее важно установить, каким образом и до каких пределов человек может произвольно регулировать и тем самым оптимизировать дыхание во время физической нагрузки по срав-


289

нению с условиями покоя. Ведь таким путем, например, спортс-мен мог бы целенаправленно снижать (с целью экономизации энергозатрат на работу дыхания) либо повышать (для интенси-фикации газообмена – о подобной тренировке упомянуто выше) легочную вентиляцию.

В определенных границах подобное волевое вмешательство в регуляцию дыхания удается. При этом оказывается, что тахи- и нормопноики управляют своим дыханием во время физических упражнений лучше, чем брадипноики, у которых произвольное увеличение дыхательного объема затруднено [62].

С другой стороны, жесткое ограничение возможностей про-извольного управления дыханием проявляется в тех случаях, когда напряженная работа сопровождается гиперкапническим и/или гипоксическим сдвигом. В таких условиях выполнение произвольных дыхательных движений, а также произвольная за-держка дыхания резко затрудняются, а при физической нагрузке субмаксимальной и, особенно, максимальной мощности – стано-вятся невозможными. (Интересно, что точность произвольных движений рукой при этом не страдает.) По-видимому, связанное с мышечной деятельностью повышение чувствительности аппа-рата регуляции дыхания к хеморецепторным стимулам ускоряет формирование императивного стимула, который и выводит дыха-ние из-под произвольного контроля. Тем самым предотвращается возможное уменьшение объема легочной вентиляции ниже обли-гатного (минимально допустимого для данных условий) уровня, поддержание которого необходимо для обеспечения повышенно-го при мышечной работе газообмена [70].

Определенную роль здесь могут играть внутрицентральные отношения: двигательная доминанта в моторной зоне мозговой коры, обеспечивающая выполнение той или иной работы, снижа-ет точность самооценки человеком объемных параметров его ды-хания [89] и затрудняет одновременное волевое управление дыха-нием. Так, при физической нагрузке значительно укорачивается максимальное произвольное апноэ [54].

Сказанное служит подтверждением уже высказанного (гл. 3) положения: произвольное управление дыханием может эффек-тивно осуществляться постольку, поскольку оно не затрагивает важнейшей функции дыхательной системы – ее участия в поддер-жании гомеостаза [70].

В этой связи следует подчеркнуть: никакие вмешательства не должны нарушать совершенные механизмы естественной регуля-


290

ции дыхания. И необходимо предостеречь от попыток искусствен-но навязывать человеку несвойственный ему тот или иной харак-тер дыхания: глубокое или поверхностное, редкое или частое, с какими-то задержками на выдохе и т.п. Вообще необоснованное вмешательство в обычный, присущий данному индивиду паттерн дыхания может в конечном счете принести непоправимый вред. Сказанное в первую очередь относится к надуманным популист-ским «системам дыхания» (которые в порядке самодеятельно-сти изобретаются, как правило, неспециалистами), но ни в коей мере не противоречит полезности научно обоснованных методов тренировки и коррекции этой функции, в том числе волевого ре-гулирования уровня легочной вентиляции и ее паттерна.

В этом плане может оказаться полезной тренировка способ-ности поддерживать в течение более или менее длительных отрезков времени высокий МОД. В отдельных случаях таким путем удавалось добиться ощутимых результатов. Например, после систематических упорных тренировок с помощью 30-ми-нутного (!) форсированного дыхания – произвольного изокапни-ческого гиперпноэ – у испытуемых было зафиксировано увеличе-ние выносливости дыхательных мышц, а также снижение МОД, лактата крови и одышки наряду с удлинением времени работы до отказа при постоянной нагрузке на велоэргометре [135].

Довольно распространен (преимущественно в клинической практике) метод дыхания с добавочным сопротивлением. Этот способ улучшает – правда, временно – функцию респираторных мышц, но у здоровых людей и спортсменов не дает сколько-нибудь существенного роста показателей общей аэробной работоспособ-ности: порога анаэробного обмена, максимального потребления кислорода и выносливости к предельным нагрузкам [345, 365, 438].

Определенные результаты дает тренировка к паттерну дыха-ния, оптимальному для определенного вида физических упраж-нений как в энергетическом, так и в биомеханическом плане [9, 165]. Так, описаны успешные попытки моделировать такой пат-терн, при котором минимизируется работа респираторных мышц за один дыхательный цикл [465]. Общеизвестно, что выполнение многих упражнений требует координации дыхания с движениями. Например, движения, связанные с разгибанием туловища и ко-нечностей (как и поднятие тяжестей), сопровождаются вдохом, сгибание – выдохом. В этом аспекте полезны упражнения на рас-


291

слабление главного инспиратора – диафрагмы [167]. Оптимиза-ция дыхания особенно целесообразна в таких видах спорта, как плавание и гребля, где дыхательные движения приходится коор-динировать с «рабочими» [62, 88].

Кроме того, управление паттерном своего дыхания нашло применение и в психологической подготовке спортсменов к на-пряженным физическим нагрузкам. Так, предлагая испытуемому посредством биологической обратной связи (biofeedback) воспро-изводить паттерн дыхания, предварительно записанный у него в состоянии релаксации или, напротив, повышенного уровня бодрствования, удавалось тем самым снова ввести его в это же со-стояние [128].

Роль дыхания в тренировке к физическим нагрузкам

Поскольку регуляция дыхания формируется в тесной связи с двигательной активностью организма, наиболее физиологич-ным и эффективным путем оптимизации дыхания при мышечной деятельности является, несомненно, тренировка к самим физиче-ским нагрузкам. В частности, интенсивные физические трениров-ки улучшают оксидативную емкость диафрагмы [360]. Длитель-ные систематические упражнения в беге позволяют увеличить выносливость дыхательных мышц настолько, что спортсмен оказывается способным поддерживать максимальную легочную вентиляцию на протяжении целых 15 мин – вместо обычных 15 с, отводимых для пробы на MBЛ [372]! При этом, с одной сто-роны, величина самой MBЛ, т.е. форсированной мощности дыха-ния, увеличивается, а с другой – дыхательная реакция на работу становится более экономичной благодаря адаптивному снижению вентиляторной чувствительности к СО2 [334].

Как говорилось, важным критерием оптимизации дыхания в плане энергообеспечения мышечной деятельности является именно его экономичность, которая проявляется в снижении та-ких показателей, как легочная вентиляция и потребление кис-лорода в расчете на единицу мощности выполняемой работы [62, 99, 160, 334, 351], а также в уменьшении кислородного долга и, как следствие, удлинении времени работы до отказа [180].

Опытный спортсмен обычно самостоятельно избирает режим выполнения упражнений, оптимальный в плане прилагаемых усилий и энергозатрат – например, бег с длиной шага, при кото-рой удается поддерживать минимальное потребление кислорода


292

[156, 242], и со скоростью, которая примерно соответствует поро-гу анаэробного обмена [309]. Стоит отметить, что такая нагрузка близка к критической мощности, как принято называть предель-ную интенсивность мышечной работы, которая еще не достига-ет «порога утомления», не сопряжена с накоплением молочной кислоты и не вызывает отказа неопределенно долго (см. рис. 9.3) [245]. Критическая мощность коррелирует с рядом параметров, характеризующих производительность кислородтранспортной системы, в том числе с порогом анаэробного обмена, и может слу-жить одним из критериев аэробной работоспособности организма.

Удобным количественным показателем оптимальности на-грузки может служить ее оценка самим испытуемым [134]. Как было показано, важным компонентом такой самооценки, наряду с восприятием усилий, развиваемых «рабочими» мышцами, слу-жит ощущение трудности дыхания (одышки). Интересно, что в процессе тренировок интенсивность воспринимаемой нагрузки (ИВН) обычно снижается, т.е. та же работа оценивается как более легкая, и отношение концентрации молочной кислоты в крови к ИВН (HLa/RPE) растет; однако в случае перетренировки коэф-фициент HLa/RPE уменьшается. Эти наблюдения дали основание использовать ИВН для прогнозирования спортивных достиже-ний и рекомендации оптимальных спортивных, лечебных и тру-довых нагрузок [191, 222, 399].

Поскольку в ряду факторов, ограничивающих аэробную ра-ботоспособность, числится гипоксемия, развивающаяся при тя-желой работе, неоднократно пытались преодолеть влияние этого фактора с помощью дыхания кислородом или гипероксической смесью. Положительным примером может служить эксперимент, где такой прием позволил удлинить почти вдвое время работы до отказа на велоэргометре при нагрузке 80% максимальной; авто-ры [312] приписали полученный эффект устранению утомления диафрагмы. Вместе с тем многие исследователи не подтвердили сколько-нибудь заметного влияния ингаляции кислорода ни на переносимость субмаксимальных и максимальных нагрузок, ни на потребление О2, ни на ИВН при этих нагрузках [370]. Здесь следует напомнить, что гипероксия, с одной стороны, может в определенных условиях улучшать кислородный транспорт в ор-ганизме, но с другой – фактически выключает активность артери-альных хеморецепторов [13, 179], поэтому ингаляция кислорода имеет свойство ослаблять вентиляторную реакцию на мышечную


293

работу, особенно когда нагрузка достигает порога анаэробного обмена. Так что в итоге данный прием может оказать неоднознач-ное влияние на переносимость физических нагрузок.

Делались попытки и непосредственно облегчать функцию дыхания во время напряженной работы, переводя спортсмена на «легкую» гелиокислородную смесь, значительно уменьшающую, как известно, аэродинамическое сопротивление газовому потоку в воздухоносных путях (что весьма эффективно при обструктив-ных заболеваниях легких). В отдельных случаях такой прием да-вал ожидаемый результат: интенсификация рабочего гиперпноэ, удлинение времени работы до отказа, а также улучшение оксиге-нации крови и рост максимального потребления кислорода [184, 359].

Наконец, упомянем «активный» метод повышения – правда, лишь временного! [280] – переносимости аэробных физических нагрузок с помощью длительных (адаптация к условиям высоко-горья) или кратковременных (ингаляция дыхательных смесей, обедненных кислородом) воздействий гипоксии. Этот метод, при-званный дополнять собой обычные способы тренировки, приоб-рел большую популярность, невзирая на противоречивые эффек-ты гипоксических воздействий [31, 32].

* * * Ясно, что все сказанное не исчерпывает возможные пути опти-

мизации функции дыхания с целью повышения физической (а может быть, не только физической) работоспособности челове-ка. Новые пути обнаружатся по мере совершенствования наших знаний в этой неисчерпаемой области.


294

ЭПИЛОГ

“Is the lung built for exercise?” – «Построены ли легкие для работы?» – так озаглавил свой капитальный обзор Дж. Демпси [181]. – Несомненно! Вся дыхательная система «сконструирова-на» для обслуживания жизнедеятельности организма в широком диапазоне физической активности. Однако в свете всего изложен-ного будет полезно резюмировать значение дыхания для мышеч-ной деятельности в двух главных аспектах.

Первая и главная функция дыхания – метаболическая. Пре-жде всего, разумеется, дыхание (точнее, легочная вентиляция) – неотъемлемое звено газотранспортной системы, обеспечивающей реакции биологического окисления как важнейшего источника энергии для процессов жизнедеятельности организма – в том чис-ле для работы мышц.

С этой же функцией неразрывно связана роль дыхания в под-держании гомеостаза организма на фоне различных изменений во внешней и внутренней среде, особенно при мышечной деятель-ности. В этом качестве резервные возможности дыхательного аппарата, благодаря совершенству регуляторных механизмов, очень велики. Хотя и не безграничны: так, если рост легочной вентиляции становится энергетически невыгодным из-за чрез-мерно высокой стоимости форсированной работы респираторных мышц, напряжение функции дыхания может стать одним из фак-торов, лимитирующих физическую работоспособность человека.

И здесь мы встречаемся уже со второй, информационной (точ-нее, сенсорной), ролью дыхания (а именно этой роли респиратор-ной системы до недавнего времени не уделялось должного вни-мания). Исходящая от соответствующего рецепторного аппарата (в основном из проприоцепторов респираторной мускулатуры – наряду с афферентацией из «рабочих» мышц) сенсорная инфор-


295

мация позволяет человеку контролировать интенсивность выпол-няемой работы и побуждает его к отказу, когда величина нагрузки становится неприемлемой для организма. Так осуществляется контролирующая и защитная роль дыхания, предотвращающая перерасход функциональных резервов организма в условиях на-пряженных мышечных нагрузок.

Обе эти роли дыхания – метаболическая и информационная – в их взаимосвязи с мышечной деятельностью объединены в сугу-бо схематизированном виде на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Схема метаболических и информационных связей (прямых и обратных) в процессе дыхания при мышечной деятельности:

ЦНС – центральная нервная система; ЦДМ – центральный дыхательный механизм. Двойная линия – метаболическое обеспечение мышечной работы; жирные линии – связи, непосредственно участвующие в сенсорном контроле

мышечной нагрузки; штриховые линии – гипотетические связи. Пояснения в тексте

Центральный дыхательный механизм (ЦДМ) обеспечивает не-прерывную легочную вентиляцию, которую он регулирует адек-ватно метаболичеким нуждам организма, тем самым обеспечивая его гомеостаз. Эта регуляция осуществляется в зависимости от стимулов, поступающих в ЦДМ посредством соответствующих сенсорных образований из хемо- и механорецепторов респиратор-ной системы, играющих роль обратных связей, а также из вышеле-жащих отделов ЦНС, включая кору больших полушарий.

При мышечной деятельности сюда же подключается направ-ляющаяся в ЦДМ сигнализация, исходящая как непосредственно из моторных центров (прямая связь), так и из рецепторов опорно-двигательного аппарата (обратная связь). В результате взаимо-


действия этой сигнализации с вышеназванными стимулами дыха-ние во время работы обеспечивает не только доставку кислорода к работающим мышцам, но и сохранение постоянства внутренней среды на фоне резко возросших энергозатрат и необходимости интенсивного удаления продуктов обмена.

Остается добавить, что дыханию человека свойственны не-которые специфические, человеческие, особенности, обусловлен-ные многообразной ролью этой системы (и главным образом – участием ее в речевой функции). Важнейшей из таких особен-ностей представляется возможность произвольного контроля легочной вентиляции. Это создает широкий диапазон воздей-ствий на функцию дыхания с целью ее оптимизации, особенно в связи с той важной ролью, которую играет дыхание для эффек-тивного выполнения многих спортивных и производственных нагрузок.


297

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Аденилаткиназа (миокиназа) – фермент, катализирующий реак-цию АДФ + АДФ → АТФ + АМФАДФ – аденозиндифосфорная к-таАМФ – аденозинмонофосфорная к-таАТФ – аденозинтрифосфорная к-таАТФаза – фермент, катализирующий гидролитическую реакцию расщепления АТФКр – креатинмоногидрат (свободный креатин)КрФ – креатинфосфатКрФ-киназа – фермент, катализирующий обратимую реакцию переэтерификации между КрФ и АДФ, сопровождающуюся ресинтезом АТФМОД – минутный объем дыхания (VТ ·f), л/минМСТ1–МСТ7 – монокарбоксилатные переносчики ПИГ – программируемое изокапническое гиперпноэФРД – функциональный резерв дыхания (maxV·

E–V·E)

AeT – аэробный порог, % max V·О2

AlO2D – алактатный кислородный долг, лAT – анаэробный порог, % max V·

О2ERV – резервный объем выдоха, лExcCO2 – неметаболический излишек выделения СО2, л/минf – частота дыхания, цикл/минFRC – функциональная остаточная емкость легких, лFVC – форсированная жизненная емкость легких, лIRV – резервный объем вдоха, лmax V·

О2 – уровень максимальной вентиляции легких, л/мин

OBLA – начало быстрого образования молочной к-ты, % max V·О2

рАО2, рAСО2

– напряжение О2 и СО2 в альвеолярном воздухе, мм рт. ст.рО2

– парциальное давление О2 в газовой смеси (в атмосферном воздухе), мм рт. ст.


298

RER – дыхательный коэффициент (V·CO2

/V·О2

)R·

О2 – уровень кислородного запроса работы, л/мин

RPE – интенсивность восприятия нагрузкиRPD – интенсивность восприятия одышкиRV – остаточный объем легких, л∑∆V·

E – вентиляционная стоимость работы, л∑∆V·

ED – вентиляционный долг (избыточная вентиляция за время восстановления), л∑∆V·

E/Tw – уровень вентиляционной стоимости работы, л/минV·

A – альвеолярная вентиляция, л/минV·

A/Q· – вентиляционно-перфузионное соотношениеVC – жизненная емкость легких, лVD – мертвое пространство, лV·

ET – вентиляционный порог, % max V·O2

V·E/V·

CO2 – вентиляционный эквивалент СО2

V·E/V·

О2 – вентиляционный эквивалент потребления кислорода

V·E – объем выдоха, л

V·I – объем вдоха, л

V·O2

– уровень потребления кислорода, л/минV·

CO2 – уровень выделения СО2, л/мин

VТ – дыхательный объем, л


299

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

ААктивный транспорт молочной кислоты с участием монокарбок-силатных переносчиков 119, 120, 121Алактатный анаэробный процесс 74Алкалоз (дыхательный) 25, 193Альвеолярная вентиляция легких (V·

А) 12, 14Альвеолярный газ (газовая смесь, заполняющая легочные аль-веолы) 20Анаэробный гликолиз 82, 111, 114, 118, 153Анаэробный порог (АТ) 155, 225АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) 69, 72АТФаза 69, 70, 72АТФ-синтетаза (протонная АТФаза) 85, 91Ацидоз (метаболический) 24, 136, 153, 162, 170, 193Аэробная и анаэробная работоспособность 169, 210, 291Аэробно-анаэробный метаболический переход 170, 218, 226, 228Аэробный порог (АеТ) 226Аэрогематический барьер 17

ББазальный паттерн дыхания 15Биоэнергетические параметры мощности, емкости и эффектив-ности 71, 112, 291Брадипноики 16Буферные системы крови 24

ВВдох 8Вентиляционная недостаточность 273Вентиляционная стоимость упражнения 202, 204, 206


300

Вентиляционно-перфузионное соотношение 14Вентиляционный драйв 41Вентиляционный порог (V·

EТ) 229, 230Вентиляционный эквивалент 14Вентиляция легких (респирация) 7Внешнее (легочное) дыхание 67Внешний путь окисления 96Второе дыхание 284Выделение СО2 68, 161Выдох 8

ГГенерация мышечной силы 70, 72Гипервентиляция (гиперпноэ) 14, 15, 172Гиперкапния (повышенное содержание СО2) 14, 61Гиповентиляция (гипопноэ) 14Гипокапния (пониженное содержание СО2) 14Гипоксия (недостаток кислорода) 25, 39, 158Гистогематический барьер 17Градация тяжести упражнения по показателям вентиляционной стоимости 206, 210, 215Гуморальные хеморецепторы рабочего гиперпноэ 39, 41

ДДиапазон изокапнического буферирования 254Диапазон критических концентраций АТФ в скелетных мышцах 76, 78, 79, 107Диффузионная способность легких (DL) 18Диффузия газов 6, 16Дыхательная сенсорика 53Дыхательная цепь митохондрий 83, 101Дыхательные нейроны: инспираторные и экспираторные 30Дыхательный дискомфорт (мертвая точка дыхания) 55, 284Дыхательный коэффициент (RER) 21, 149

ЖЖизненная емкость легких (VC) 11


301

ЗЗависимость «доза – эффект» в оценке рабочего гиперпноэ 269Задержка дыхания (апноэ) 60Зоны работ относительной мощности 259

ИИзнеможение и респираторное утомление 281Инспираторные мышцы 7, 12Истинное и ложное steady state при работе 136

ККинетика потребления О2 при работе 134Кислородная емкость крови 22Кислородный долг 136, 202Кислородный запрос 136, 202Кислородный каскад организма 6, 125Кислородный приход 136, 202Кислотно-щелочное равновесие (КЩР) 129, 274Конвекция газов в организме 6, 16Кривая диссоциации оксигемоглобина 22, 168Критическая мощность 231Критические режимы мышечной деятельности 218Критическое напряжение О2 на клеточной мембране 125, 157, 159

ЛЛактатный шунт 120, 121Легочные альвеолы 17Легочный кровоток 19Локальное утомление респираторных мышц при работе 281

ММаксимальная анаэробная мощность (МАМ) 237Максимальная вентиляция легких (МВЛ) 60, 248Максимальный метаболический уровень (MMR) 136, 202Мертвое пространство (VD) 13, 20Метаболические состояния при мышечной работе 212, 218Метаболический ацидоз и образование молочной кислоты при мышечной работе 24, 114, 117,153Метаболический индекс 202


302

Механорецепторы дыхательных мышц 49Минутный объем дыхания (МОД), или уровень вентиляции легких (V·

E) 13Миоглобин 26, 134, 179Митохондриальный ретикулум в скелетных мышцах 104Мышечные волокна оксидативного и анаэробного типа 80, 100, 111

ННапряжение рО2

и рСО2 в альвеолярном воздухе 128

Начало быстрого накопления молочной кислоты при работе (OBLA) 166, 170Некомпенсированный метаболический ацидоз 107, 153, 184Неметаболический излишек выделения СО2 (ЕхсСО2) при ра-боте 151, 161

ООбмен газов в легких 16Образование молочной кислоты в анаэробном гликолизе 111, 118Объем дыхания (VT) 10Одышка и ее восприятие 55Оксигенация крови 22Остаточный объем (RV) 11Осцилляции уровня потребления О2 при работе 137

ППаттерн дыхания 12Паттерны цитозольного редокс-состояния 83Порог инспираторных мышц 224Порог метаболического ацидоза 163Прямой пастеровский эффект и эффект Крэбтри 124

РРабота дыхания при гиперпноэ 9Резистивная нагрузка в условиях рабочего гиперпноэ 66, 271Ресинтез АТФ в КрФ-киназной реакции 74, 76, 77Ресинтез АТФ в процессе анаэробного гликолиза 82, 111Ресинтез АТФ в реакциях субстратного и окислительного фосфорилирования 72, 88, 92Респираторная компенсация метаболического ацидоза 235


303

ССверхутилизационная гипоксия при напряженной мышечной работе 282Cтадии окислительного ресинтеза АТФ 82, 83, 86

ТТахипноики 15Тканевое (митохондриальное) дыхание 67

ФФазные изменения уровня легочной вентиляции при работе 176Фазы развития гиперкапнического стимула при работе 221Феномен отказа от продолжения работы 281Форсированная мощность дыхания 12Функциональный резерв дыхания (ФРД) 248

ХХемиосмотическое сопряжение 89Хеморецепторы: центральные (бульбарные) и периферические (артериальные) 35, 36, 37, 39

ЦЦентральный генератор паттерна дыхания 30Цикл Кори 119, 139

ШШкала Борга 55, 276

ЭЭнергетические затраты на гипервентиляцию при работе 172, 249Энергетический заряд 80Энерготранспортный челнок с участием КрФ 79Эффект Бора 22, 129, 142Эффект Холдейна 23, 142


304

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Агаджанян Н.А., Красников Н.П., Буков Ю.А. К механизму развития «мертвой точки» и ПАО при физической работе динамического характе-ра // Физиология человека, 1996, 22(1): 98–103.

2. Алтухов Н.Д., Волков Н.И., Конрад А.Н., Савельев И.А., Цир-ков В.С. Изменения газообмена и легочной вентиляции при напряжен-ной мышечной работе // Регуляция дыхания и массоперенос газов в организме / И.С. Бреслав, ред. – М.: Ин-т физиологии им. И.П. Павло-ва, 1986: 65.

3. Алтухов Н.Д., Волков Н.И., Конрад А.Н., Савельев И.А. Потребление кислорода и выделение СО2 у человека в начальный период напряженной мышечной деятельности // Физиология человека, 1983, 9(2): 307–315.

4. Барер А.С., Бреслав И.С., Исаев Г.Г., Сокол Е.А. Влияние увеличен-ного сопротивления дыханию на работоспособность человека // Космич. биология, 1989, 23(2): 2–17.

5. Белоцерковский З.Б., Волков Н.И., Дардури У., Любина Б.К., Соло-губ С.Л. Кардиореспираторные реакции у спортсменов при различных режимах прерывистых гипоксических воздействий // Hypoxia Medical J., 1996, 2: 77.

6. Борилкевич В.Е., Зорин А.И. Некоторые теоретические и прак-тические аспекты определения анаэробного порога // Теор. и практ.физ. культ., 1988, 3: 51–53.

7. Бреслав И.С. Произвольное управление дыханием у человека. – Л.: Наука, 1975. – 152 с.

8. Бреслав И.С. Восприятие дыхания и природа одышки // Усп. фи-зиол. наук, 1988, 18(1): 24–39.

9. Бреслав И.С. Особенности регуляции дыхания человека // Физио-логия дыхания. – СПб.: Наука, 1994: 473–499.

10. Бреслав И.С. Восприятие мышечной нагрузки, роль локомоторной и дыхательной сенсорики // Физиол. ж. им. И.М. Сеченова, 1994, 80(12): 17–29.

11. Бреслав И.С. Паттерны дыхания. – Л.: Наука, 1984. – 208 с.12. Бреслав И.С. Дыхательная сенсорика человека, ее физиологическая

роль // Рос. физиол. ж. им. И.М. Сеченова, 2002, 88(2): 257–266.13. Бреслав И.С., Глебовский В.Д. Регуляция дыхания. – Л.: Наука,

1981. – 280 с.


305

14. Бреслав И.С., Исаев Г.Г. Реакции кардиореспираторной системы на увеличенное сопротивление дыханию // Усп. физиол. наук, 1991, 22(2): 3–18.

15. Бреслав И.С., Исаев Г.Г. Дыхание при увеличенном сопротивле-нии // Физиология дыхания. – СПб.: Наука, 1994: 624–639.

16. Бреслав И.С., Блюменштейн Б.Д., Вайнштейн И. Самооценка человеком легочных объемов и дыхательных усилий // Пути оптимиза-ции функций дыхания. – Тверь, 1994: 14–20.

17. Бреслав И.С., Пятин В.Ф. Центральная и периферическая хеморе-цепция системы дыхания // Физиология дыхания. – СПб.: Наука, 1994: 416–472.

18. Бреслав И.С., Рымжанов К.С. Влияние мотивации на выносли-вость спортсменов к статическому усилию и задержке дыхания // III съезд физиологов Казахстана. – Алма-Ата, 1995: 18.

19. Бреслав И.С., Сегизбаева М.О., Исаев Г.Г. Лимитирует ли система дыхания аэробную работоспособность человека? // Физиол. человека, 2000, 26(4): 138–145.

20. Ванюшин Ю.С. Типы адаптации кардиореспираторных функций спортсменов к физической нагрузке // Физиол. человека, 1999, 25(3): 91–97.

21. Волков Н.И. Потребление кислорода и содержание молочной кис-лоты в крови при напряженной мышечной работе // Физиол. ж. СССР им. И.М. Сеченова, 1962, 48(3): 319–325.

22. Волков Н.И. Энергетический обмен и работоспособность челове-ка в условиях напряженной мышечной деятельности: дис. … канд. биол. наук. – М., 1969. – 101 с.

23. Волков Н.И. Проблемы биохимического контроля в спорте // Об-мен веществ и биохимическая оценка тренированности спортсменов: мат-лы Сов.-Амер. симпозиума по биохимии спорта. – Л.: ЛНИИФК, 1974: 213–227.

24. Волков Н.И. Биоэнергетические процессы при мышечной деятель-ности // Биохимия: учеб. для ин-тов физ. культ. / под ред. В.В. Меньши-кова и Н.И. Волкова. – М.: ФиС, 1986: 280–300.

25. Волков Н.И. Биохимические критерии в диагностике метаболиче-ских состояний у спортсменов при напряженной мышечной деятельно-сти // Биохимия питания спортсменов. – Л.: ЛНИИФК, 1989: 150–158.

26. Волков Н.И. Биоэнергетика напряженной мышечной деятельно-сти человека и способы повышения работоспособности спортсменов: дис. … д-ра биол. наук. – М., 1990. – 654 с.

27. Волков Н.И. Современные методы гипоксической подготовки в спорте // III Международный конгресс «Теория деятельности и соци-альная практика». – М.: Физкультура, образование, наука, 1995: 27–28.

28. Волков Н.И. Биоэнергетика мышечной деятельности // Биохи-мия мышечной деятельности / Н.И. Волков, Э.Н. Несен, А.С. Осипенко, С.Н. Корсун. Гл. 15. – Киев: Олимпийская литература, 2000: 306–325.


306

29. Волков Н.И. Биоэнергетические процессы при мышечной деятель-ности // Физиология человека / под общ. ред. В.И. Тхоревского. – М.: Физкультура, образование и наука, 2001: 259–294.

30. Волков Н.И., Алтухов Н.Д., Козырь С.В. Кислородный запрос и вентиляционная стоимость мышечной работы // Вопросы экспери-ментальной и клинической физиологии дыхания. – Тверь: Твер. гос. ун-т, 2007: 64–73.

31. Волков Н.И., Булгакова Н.Ж., Коваленко Е.А. Импульсная гипоксия и интервальная гипоксическая тренировка // Hypoxia Med. J., 1994, 2: 64–66.

32. Волков Н.И., Дардури У., Сметанин В.Я. Градации гипоксических состояний у человека при напряженной мышечной деятельности // Фи-зиол. человека, 1998, 24(3): 51–63.

33. Волков Н.И., Конрад А.Н., Зинченко Н.П. и др. Кинетика потребле-ния кислорода при напряженной мышечной деятельности и разработка технических устройств для непрерывной регистрации скорости потреб-ления кислорода // Биоэнергетические критерии спортивной работо-способности: сб. науч. работ. – М.: ГЦОЛИФК, 1978: 48–57.

34. Волков Н.И., Попов О.И., Габрысь Т., Шматлян-Габрысь У. Физио-логические критерии нормирования тренировочных и соревнователь-ных нагрузок в спорте высших достижений // Физиол. человека, 2005, 31(5): 125–134.

35. Волков Н.И., Попов О.И., Самборский А.Г. Пульсовые критерии энергетической стоимости упражнения // Физиол. человека, 2003, 29(3): 98–103.

36. Волков Н.И., Савельев И.А. Кислородный запрос и энергетическая стоимость напряженной мышечной деятельности человека // Физиол.человека, 2002, 28(4): 80–93.

37. Волков Н.И., Ширковец Е.А. Об энергетических критериях работо-способности спортсменов // Биоэнергетика: сб. тр. – Л.: ГДОИФК им. П.Ф. Лесгафта, 1973: 18–30.

38. Волков Н.И., Черемисинов В.Н., Разумовский Е.А. Кислородный обмен у человека при мышечной деятельности // Кислородный режим организма и его регулирование. – Киев: Наукова думка, 1966: 261–278.

39. Волков Н.И., Царев О.Б., Ширковец Е.А. Осцилляторные измене-ния потребления кислорода у человека при напряженной мышечной дея-тельности // Биоэнергетические критерии спортивной работоспособно-сти: сб. науч. работ. – М.: ГЦОЛИФК, 1978: 48–54.

40. Воронов И.Б. Регуляция дыхания во время сна // Физиология ды-хания. – СПб.: Наука, 1994: 524–536.

41. Гандельсман А.Б. Двигательная гипоксия // Кислородный режим организма и его регулирование. – Киев: Наукова думка, 1966: 241–253.

42. Гандельсман А.Б., Евдокимова Г.А., Хутов А.М. Биоэнергетика и показатели внешнего дыхания в разных видах спорта // Биоэнергети-ка: сб. тр. – Л.: ГДОИФК им. П.Ф. Лесгафта, 1973: 5–17.


307

43. Глебовский В.Д. Рефлексы с рецепторов легких и дыхательных мышц и их значение в регуляции дыхания // Физиология дыхания. – Л.: Наука, 1973: 115–150.

44. Глебовский В.Д. Центральные механизмы, определяющие и регу-лирующие периодическую деятельность дыхательных мышц // Физио-логия дыхания. – СПб.: Наука, 1994: 355–415.

45. Дубровский В.И. Спортивная физиология. – М.: Владос, 2005. –462 с.

46. Дынник В.В. Теоретическое исследование механизмов автоколе-баний в гликолизе: дис. … канд. физ.-мат. наук. – Пущино, 1977. – 186 с.

47. Дынник В.В. Внутриклеточные механизмы контроля скоростей синтеза и гидролиза АТФ в мышцах // Механизмы контроля мышечной деятельности / под ред. Г.П. Пинаева и В.Б. Ушакова. – Л.: Наука, 1985: 21–80.

48. Еськов В.М. Введение в компартментную теорию респираторных нейронных сетей. – М.: Наука, 1994. – 166 с.

49. Жданов В.Л. Влияние динамического фактора на частоту разрядов высокопороговых рецепторов растяжения легких у кошки // Физиол. ж. СССР им. И.М. Сеченова, 1978, 64(6): 810–817.

50. Зациорский В.М., Алешинский С.Ю., Якунин Н.А. Биомеханические основы выносливости. – М.: ФиС, 1982. – 207 с.

51. Иванов К.П. Основы энергетики организма. Теоретические и прак-тические аспекты. Т. 2. Биологическое окисление и его обеспечение кис-лородом. – СПб.: Наука, 1993. – 272 с.

52. Иванов К.П. Современные представления о транспорте кислорода из крови в ткани // Успехи физиол. наук, 2001, 32(4): 3–22.

53. Илюхин В.А., Заболотских И.Б. Физиологические основы различ-ной устойчивости организма к субмаксимальным физическим нагрузкам до отказа у здоровых лиц молодого возраста // Физиол. человека, 2000, 26(3): 92–99.

54. Иржак Л.И., Поляков П.В. Продолжительность произвольной остановки дыхания и показатели крови // Физиол. человека, 2002, 28(2): 63–69.

55. Исаев Г.Г. Физиология дыхательных мышц // Физиология дыхания. – СПб.: Наука, 1994: 170–196.

56. Исаев Г.Г., Бреслав И.С., Рымжанов К.С. Роль сенсорных компо-нентов в реакциях респираторной системы человека на нарастающие нагрузки // Физиол. ж. СССР им. И.М. Сеченова, 1989, 75(3): 367–373.

57. Кисляков Ю.Я., Бреслав И.С. Дыхание, динамика газов и работо-способность при гипербарии. – Л.: Наука, 1988. – 236 с.

58. Колчинская А.З. Кислород. Физическое состояние. Работоспособ-ность. – Киев: Наукова думка, 1991. – 208 с.

59. Конрад А.Н. Исследование метаболических состояний у чело-века при напряженной мышечной деятельности: дис. … канд. биол. наук. – Тарту: Тарт. гос. ун-т, 1978. – 226 с.


308

60. Конрад А.Н., Савельев И.А. Кинетика потребления кислорода и выделения «избыточного» СО2 в начальной фазе напряженной мышеч-ной деятельности // Биоэнергетические критерии спортивной работо-способности: сб. науч. работ. – М.: ГЦОЛИФК, 1978: 55–73.

61. Коц Я.М. Мертвая точка и второе дыхание. – М.: ФиС, 1986. – 84 с.62. Кучкин С.Н. Дыхательные упражнения в спорте. – Волгоград,

1991. – 48 с.63. Кучкин С.Н., Бакулин С.А. Физиологические принципы класси-

фикации физических упражнений и их характеристика // Физиология человека / под общ. ред. В.И. Тхоревского. Гл. 15. – М.: Физкультура, образование и наука, 2001: 309–324.

64. Ленинджер А. Митохондрия: молекулярные основы структуры и функции. – М.: Мир, 1966. – 315 с.

65. Лукьянова Л.Д. Биоэнергетическая гипоксия: понятие, механизмы и способы коррекции // Бюлл. экспер. биол. мед., 1997, 124(9): 244–253.

66. Лукьянова Л.Д., Балмуханов Б.С., Уголев А.Т. Кислородзависимые процессы в клетке и ее функции. – М., 1982. – 301 с.

67. МакМюррей У. Обмен веществ у человека. Основы учения о взаи-мосвязи биохимии с физиологией и патологией. – М.: Мир, 1980. – 368 с.

68. Маршак М.Е. Физиологическое значение углекислоты. – М.: Ме-дицина, 1969. – 186 с.

69. Маршак М.Е. Регуляция дыхания у человека. – М.: Медицина, 1991. – 173 с.

70. Миняев В.И. Произвольное управление дыханием // Физиология дыхания. – СПб.: Наука, 1994: 117–122.

71. Миняев В.И., Давыдов В.Г. Роль торакального и абдоминального компонентов системы дыхания при гипервентиляции на фоне хеморе-цепторной стимуляции различной интенсивности // Физиол. человека, 2000, 26(4): 83–84.

72. Миняев В.И., Миняева А.В. Сравнительный анализ реакций то-ракального и абдоминального компонентов дыхания на гиперкапнию и мышечную работу // Рос. физиол. ж. им. И.М. Сеченова, 1998, 84(4): 323–329.

73. Миняева А.В. Произвольная задержка дыхания при погруже-нии // Моторно-висцеральные взаимоотношения при различных состо-яниях организма. – Калинин, 1987: 117–122.

74. Михайлов В.В. Роль внешнего дыхания в обеспечении максималь-ных величин потребления кислорода у спортсменов во время мышеч-ной деятельности циклического типа // Кислородный режим организма и его регулирование / Н.В. Лауэр, А.З. Колчинская, ред. – Киев: Наукова думка, 1966: 280–284.

75. Михайлов В.В., Огольцов И.Г. Максимальное потребление кислоро-да у лыжников-олимпийцев // Теор. и практ. физ. культ., 1964, 10: 34–37.

76. Ньюсхолм Э., Старт К. Регуляция метаболизма. – М.: Мир, 1977. – 407 с.


309

77. Песков Б.Я., Пятин В.Ф. Структурно-функциональные механиз-мы бульбарной хемочувствительности дыхания // Физиол. ж. СССР им. И.М. Сеченова, 1988, 34(1): 104–109.

78. Репин В.С. Координация дыхания и гликолиза // Механизмы интеграции клеточного обмена. – Л.: Наука, 1967: 205–259.

79. Розенблат В.В., Малафеева С.Н., Поводатор А.И., Рожкова С.В. Два типа адаптации кардиореспираторных показателей к физическим нагрузкам // Физиол. человека, 11(1): 102–109.

80. Самойлов В.О. Гетерогенность хемосенсорных систем. – Л.: Наука, 1983. – 224 с.

81. Сафонов В.А., Ефимов В.Н., Чумаченко А.А. Нейрофизиология дыхания. – М.: Медицина, 1980. – 224 с.

82. Сегизбаева М.О., Исаев Г.Г. Утомление респираторных мышц чело-века при тяжелых резистивных нагрузках в условиях нормо- и гиперкап-нии // Физиол. человека, 2000, 26(6): 62–73.

83. Скулачев В.П. Аккумуляция энергии в клетке. – М.: Наука, 1969. – 440 с.

84. Скулачев В.П. Соотношение окисления и фосфорилирования в дыхательной цепи. – М.: Изд-во АН СССР, 1982. – 176 с.

85. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. – М.: Наука, 1989. – 286 с.

86. Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло // Соросов-ский образовательный ж., 1996, 3: 4–10.

87. Смирнов К.М. Внешнее дыхание при мышечной деятельности // Руководство по физиологии. Физиология мышечной деятельности, тру-да и спорта. Гл. 8. – Л.: Наука, 1969: 227–241.

88. Солопов И.Н. Дыхание при спортивном плавании. – Волгоград, 1988. – 54 с.

89. Солопов И.Н. Способность человека оценивать изменения основ-ных параметров внешнего дыхания при мышечной работе // Физиол. че-ловека, 1998, 24(5): 35–39.

90. Фарфель В.С. Курс физиологии человека. – М.: ФиС, 1941. – 206 с.91. Фарфель В.С. Исследования по физиологии предельной мышечной

работы и выносливости: дис. … д-ра биол. наук. – Л.: ВМА, 1945. – 647 с.92. Фарфель В.С. Физиологические особенности работ различ-

ной мощности // Исследования по физиологии выносливости: тр. ЦНИИФК. Т. 7(3). – М.: ФиС, 1949: 237–257.

93. Фарфель В.С. Физиологические основы классификации физических упражнений // Руководство по физиологии. Физиология мышечной деятельности, труда и спорта. – Л.: Наука, 1969: 425–439.

94. Фарфель В.С., Михайлов В.В. Максимальное потребление кислорода как показатель объема окислительных процессов и общей работоспособности организма // Кислородный режим организма и его регулирование / Н.В. Лауэр, А.З. Колчинская, ред. – Киев: Наукова думка, 1966: 254–260.


310

95. Физиология дыхания / Л.Л. Шик, И.С. Бреслав, М.Е. Маршак, М.В. Сергиевский. – Л.: Наука, 1973. – 352 с. – (Серия «Руководство по физиологии»).

96. Физиология дыхания / И.С. Бреслав, Г.Г. Исаев, ред. – СПб.: Наука, 1994. – 680 с.

97. Филиппова Л.В., Ярцев В.Н. Изменения легочной вентиляции при сдвигах кислотно-щелочного равновесия в скелетных мышцах кошки // Физиол. ж. СССР им. И.М. Сеченова, 1985, 71(6): 1397–1402.

98. Франкштейн С.И., Смолин Л.Н., Сергеева Л.Н. Роль пирамидного тракта в механизме одышки и гипервентиляции // Бюлл. экспер. биол. мед., 1980, 89(6): 666–672.

99. Чхартишвили М.Н., Агдгомелашвили Э.Н., Малолетнев В.И. и др. Мощность и экономичность как критерии функционального состояния системы дыхания при физических нагрузках // Мед. новости Грузии, 2000, 10: 29–31.

100. Шапкайц Ю.М. Влияние специфики физической деятельности на функции систем внешнего дыхания и кровообращения: дис. … д-ра мед. наук. – Л., 1980.

101. Шик Л.Л. Основные принципы регуляции дыхания // Физиоло-гия дыхания. – Л.: Наука, 1973: 279–286.

102. Шик Л.Л. Основные черты управления дыханием // Физиология дыхания. – СПб.: Наука, 1994: 342–354.

103. Adams L., Milhorn H.T., Lee L.Y. Effect of spinal cord transaction on the steady state ventilation response to exercise in man // J. Physiol. (Lon-don), 1987, 308(1): 63–64.

104. Aggarwal D., Milhorn H.T., Lee L.Y. Role of the carotid chemorecep-tors in the hyperpnea of exercise in the cat // Respir. Physiol., 1976, 26(1): 147–155.

105. Aguilakiu D., Flore P., Maitre J. et al. Early onset of pulmonary gas exchange disturbance during progressive exercise in healthy active men // J. appl. Physiol., 2002, 92(5): 1879–1884.

106. Andersen P., Saltin B. Maximal perfusion of skeletal muscle in man // J. Physiol., 1985, 366(2): 233–249.

107. Anderson G.S., Rhodes E.C. The relationship between blood lactate and excess CO2 in elite cyclists // J. Sports Sci., 1991, 9(1): 173–181.

108. Anholm J.D., Stray-Gundersen J., Ramanathan M., Johnson R.L. Sus-tained maximal ventilation after endurance exercise in athletes // J. appl. Physiol., 1990, 67(5): 1759–1763.

109. Atkinson D. The energy charge of the adenylate pool as a regulatory parameter: interaction with feedback modifiers // Biochemistry, 1968, 7(11): 4030–4034.

110. Babcock M.A., Pegelow D.F., Harms C.A., Dempsey J.A. Effects of respi-ratory muscle unloading on exercise-induced diaphragen fatigue // J. appl. Physiol., 2002, 93(1): 201–206.

111. Bachmen J., Horvath S. Pulmonary function changes which accompany athletic conditioning programs // Res. Quaterly, 1968, 39(2): 231–239.


311

112. Bajic J., Zuperku E., Tonkovic-Capin M., Hopp F.A. Interaction between chemoreceptor and stretch receptor inputs at medullary respiratory neurons // Amer. J. Physiol., 1994, 266(1, pt. 2): 1951–1961.

113. Bakeeva L.T., Chentsov Y.S., Skulachev V.P. Mitochondrial framework (Reticulum mitochondriale) in rat diaphragm muscle // Biochim. Biophys. Acta, 1978, 501(2): 349–369.

114. Bangsbo J. Quantification of anaerobic energy production during intense exercise // Med. Sci. Sports Exerc., 1998, 30(1): 47–52.

115. Bangsbo J., Gollnick P.D., Graham T.E. et al. Anaerobic energy pro-duction and O2-deficit – debt relationship during exhaustive exercise in hu-mans // J. Physiol., 1990, 422(3): 539–559.

116. Banzett R.B., Mead J., Reid M., Topulos G.P. Locomotion in men has no appreciable mechanical effect on breathing // J. appl. Physiol., 1992, 72(5): 1922–1926.

117. Beaver W.L., Wasserman K. Muscle RQ and lactate accumulation from analysis the VСО–VО relationship during exercise // Clin. J. Sport Med., 1991, 1(1): 27–34.

118. Beaver W.L., Wasserman K., Whipp B.J. Bicarbonate buffering of lactic acid generated during exercise // J. appl. Physiol., 1986, 60(3): 472–478.

119. Beaver W.L., Wasserman K., Whipp B.J. A new method for detect-ing the anaerobic threshold by gas exchange // J. appl. Physiol., 1986, 60(5): 2027–2029.

120. Beck K.C., Wilson T.A. Variance of ventilation during exercise // J. appl. Physiol., 2001, 90(6): 2151–2156.

121. Behnke B.J., Barstow T.J., Poole D.C. Relationship between VО2 responces at the monthe and across the exercising muscles // Oxygen Uptake Kinetics in Sport, Exercise and Medicine / A.M. Jones, D.C. Poole (eds.). – London: Routledge, 2005. – 405 p.

122. Bennett F. A role of neural pathways in exercise hyperpnea // J. appl. Physiol., 1984, 56(5): 1559–1564.

123. Berkenbosch A., de Goede J. Actions and interactions of CO2 and O2 in central and peripheral chemoceptive structures // Neurobiology of the control of breathing. – N.Y., 1986: 9–17.

124. Bevegard B.S., Shepherd J.T. Regulation of the circulation during ex-ercise in man // Physiol. Rev., 1967, 47(1): 178–189.

125. Bharath S.K., Zintel T., McParland et al. Evolution of inspiratory and expiratory muscle pressures during endurance exercise // J. appl. Physiol., 2000, 88(1): 234–245.

126. Bigland-Ritchie B., Woods J.J. Integrated electromyogram and oxy-gen uptake during positive and negative work // J. Physiol., 1976, 260(1): 267–277.

127. Billat V., Attali V., Valakou F. L’hypoxemie n’est pas an facteur de regulation de la ventilation au cours d’un exercise de temps limite a VО2max // Arch. Physiol. Biochem., 1995, 103(5): 92–99.


312

128. Blumenstein B., Breslav I., Bar-Eli V. Regulation of mental states and biofeedback techniques: Effects of breathing pattern // Biofeedback Self-Regul., 1995, 20(2): 169–183.

129. Bobb T.G., Rodarte J.R. Estimation of ventilatory capacity during submaximal exercise // J. appl. Physiol., 1993, 74(5): 2016–2022.

130. Bogdanis G.C., Nevill M.E., Lakomy H.K., Boobis L.H. Power out-put and muscle metabolism during and following recovery from 10 and 20 s of maximal sprint exercise in humans // Acta Physiol. Scand., 1998, 163(1): 261–272.

131. Bonen A., Tonouchi M., Miskovic D. et al. Isoform-specific regulation of the lactate transporters MCT1 and MCT4 by contractile activity // Am. J. Physiol., 2000, 249(5): E1131–Е1138.

132. Boobis L., Williams C., Wootton S.A. Human muscle metabolism dur-ing brief maximal exercise // J. Physiol. (London), 1982, 338(1): 21–22.

133. Borg G.A.V. Psychophysical bases of perceived exertion // Med. Sci. Sports Exerc., 1981, 14(5): 377–381.

134. Borg G.A.V., Ljunggren G., Cesi R. The increase of perceived exertion ashes and pain of the legs, heart rate and blood lactate during exercise on bi-cycle ergometer // Eur. J. appl. Physiol., 1985, 54(2): 343–349.

135. Boutellier V. Respiratory muscle fitness and exercise endurance in healthy men // Med. Sci. Sports Exerc., 1998, 30(7): 1169–1172.

136. Bouyhus A., Pool J., Binkhorst R.A., van Leeuwen P. Metabolic acidosis of exercise in helthy males // J. appl. Physiol., 1966, 21(5): 1040–1046.

137. Breslav I.S. Perception of muscular load. Role of lokomotor and respi-ratory sensory perception // Neurosci. Behav. Physiol., 1996, 26(2): 143–152.

138. Breslav I.S., Epstein S., Falk B. et al. Self-rating of perceived exertion and dyspnea by young athletes // Biol. Sport, 1994, 11(2): 91–99.

139. Breslav I.S., Isaew G.G. Ventilatory response kinetics and breathing pattern during exercise at different chemoreceptive drive // Int. J. Sports Med., 1989, 10(4): 252–258.

140. Brockhaus J., Ballanyi K., Smith J.S., Richter D.W. Microenvironment of respiratory neurons in the vitro brainstem-spinal cord of neonatal rats // J. Physiol. (London), 1993, 462(2): 421–445.

141. Brooks G.A. Anaerobic threshold: review of the concept and direc-tions for future research // Med. Sci. Sports Exercise, 1985, 17(1): 22–31.

142. Brooks G.A. Current concepts in lactate exchange // Med. Sci. Sports Exercise, 1991, 23(3): 895–906.

143. Brooks G.A. Intra- and extra-cellular lactate shuttles // Med. Sci. Sports Exerc., 2000, 32(5): 790–799.

144. Brooks G.A., Branner K.E., Cassens R.G. Glycogen synthesis and me-tabolism of lactate acid after exercise // Am. J. Physiol., 1973, 224(6): 1162–1166.

145. Brooks G.A., Dubouchand H., Brown M. et al. Role of mitochondrial lactate dehydrogenase and lactate oxidation in the intracellular lactate shut-tle // Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 1999, 96(6): 1129–1134.


313

146. Brooks G.A., Fahey H.D. Exercise physiology: human bioenergetics and its applications. – N.Y.: Macmillan Publ. Co., 1987. – 726 p.

147. Brown R.H., Mitzner W. Airway response to deep inspiration: role of inflation pressure // J. appl. Physiol., 2001, 91(6): 2574–2578.

148. Budzinska K., Euler C., Kao F.F. Effects of graded local cold block in rostral areas of the medulla // Acta Physiol. Scand., 1985, 124(2): 329–340.

149. Bunc V., Jiri L. Ventilatory threshold and work efficiency exercise on a cycle and rowing ergometer // J. Sports Med., 1993, 11(1): 43–48.

150. Bylund-Fellenius A.C., Walker D.M., Elander A. et al. Energy metabo-lism in relation to oxygen partial pressure in human skeletal muscle during exercise // Biochem. J., 1981, 200(1): 247–255.

151. Cafarelli E. Peripheral contributions to the perception of effort // Med. Sci. Sports Exerc., 1982, 14(5): 382–389.

152. Carafoli E. Regulation of aerobic metabolism in muscle // Exercise bioenergetics and gas exchange / P. Cerretelli, B.J. Whipp (eds.). – North-Holland: Elsevier, 1980: 3–12.

153. Caretti D.M., Whitley J.A. Exercise performance during inspiratory resistance breathing under exhaustive constant load work // Ergonomics, 1998, 41(4): 501–511.

154. Carton R.L., Rhodes E.C. A critical review of the literature on rating scales for perceived exertion // Sports Med., 1985, 2(3): 198–222.

155. Caruana-Montaldo B.C., Gleeson K., Zwillich C.W. The control of breathing in clinical practice // Chest, 2000, 117(1): 205–225.

156. Cavanagh P.R., Kram R. Mechanical and muscular factors affecting the efficiency of human movement // Med. Sci. Sports Exerc., 1985, 17(2): 326–337.

157. Chance B., Hollunger G. The interaction of energy and electron trans-fer reactions in mitochondria // J. Biol. Chem., 1961, 230(5): 1534–1543.

158. Chance B., Williams G. Respiratory enzymes in oxidative phosphory-lation // J. Biol. Chem., 1955, 217(1): 383–451.

159. Chasiotis P. The regulation of glycogen phosphorylase and glycogen breakdown in human skeletal muscle // Acta Physiol. Scand., 1983, 19, Suppl. 518: 1–68.

160. Chen B., Jones N.L., Killian K.Y. Is there a conflict between minimiz-ing effort and energy expenditure with increasing velocities of muscle con-traction in humans? // J. Physiol. (London), 1999, 518(3): 933–940.

161. Cheng B., Kuipers H., Keizer H. Break point in breathing frequency: an indicator of ventilatory threshold but not of lactate threshold // Med. Sci. Sports Exerc., 1992, 24(5, Suppl.): 183–184.

162. Chonan T., Mulholland M.B., Altose M.D., Cherniack N.S. Effects of changes in level and pattern of breathing on the sensation of dyspnea // J. appl. Physiol., 1990, 69(4): 1290–1294.

163. Claque J.E., Carter J., Pearson M.G., Calverly P.H.A. Effect of sus-tained inspiratory loading on espiratory sensation and CO2 responsiveness in normal humans // Clin. Sci., 1996, 91(4): 513–518.


314

164. Clark A.J., Clark P.A.A., Connet R.J. // Am. J. Physiol., 1987, 252(Cell Physiol., v. 21): 583–587.

165. Clark M.E., Hirshman R. Effects of respiration on auxiety reduction in clinical population // Biofeedback Self-Regul., 1990, 15(3): 273–284.

166. Cohen M.I. Neurogenesis of respiratory rhythm in the mammal // Physil. Rev., 1979, 59(5): 1105–1173.

167. Coirault C., Chemla D., Lecarpenter Y. Relaxation of diaphragm mus-cle // J. appl. Physiol., 1999, 87(4): 1243–1252.

168. Connett R.J. The cytosolic redox in coupled to VО2: a working hy-

pothesis // Adv. Exp. Med. Biol., 1988, 222(1): 133–142.169. Connett R.J., Gayeski T.E.J., Honig C.R. Defining Hypoxia: a system

view of VО2, glycolysis, energetics, and intracellular pO2

// J. appl. Physiol., 1990, 68(4): 833–842.

170. Cooper D.M., Wasserman D.H., Vranic M., Wasserman R. Glucose turn-over in response to exercise during high- and low-FIО2

breathing in man // Am. J. Physiol., 1986, 251: E209–E214.

171. Cotes J.E., Meade F. Physical training in relation to the integy ex-penditure of walking and to factors controlling respiration during exercise // Ergonomics, 1959, 2(1): 195–206.

172. Cotes J.E. Lung function. – Oxford: Blackwell Sci. Publ., 1979. – 606 p.173. Cunningham D.J.C. Integrative aspects of the regulation of breathing:

a person view // J.G. Widdcombe (ed.). MTP International Reviews of Sci-ence. Series 1. Physiology. Vol. 2. Respiration. – Baltimore: University Park Press, 1974: 303–369.

174. Cunningham D.J.C., Metias E.F., Howson M.G., Petersen E.S. Patterns of reflex responses to dynamic stimulation of the human respiratory system // Centr. Neurone Environ. Contr. Syst. Breath. Circul. – Berlin, 1983: 116–123.

175. Davis J.A. Response to Brook’s manuscript // Med. Sci. Sports Exer-cise, 1985, 17(1): 32–34.

176. Davis K.J., Packer L., Brooks G.A. Biochemical adaptation of mito-chondria, muscle, and whole-animal respiration to endurance training // Arch. Biochem. Biophys., 1981, 2(4): 539–554.

177. Dawson M.J., Gadian D.G., Wilkie D.R. Muscular fatigue investi-gated by phosphorus nuclear magnetic resonance // Nature, 1978, 274(6): 861–866.

178. Dean E., Ross J. Downhill walking induces rapid shallow breathing // Pflugers Arch., 1989, 415(2): 351–354.

179. Dejours P. From comparative physiology of respiration to several problems of environmental adaptation and to evolution // J. Physiol. (Lon-don), 1989, 410(1): 1–19.

180. Demarle A.P., Slawinski J.J., Laffite L.P. Decrease of O2-deficite is a potential factor in increase time to exhaustion after specific endurance training // J. Appl. Physiol., 2001, 90(3): 947–953.

181. Dempsey J.A. Is the lung built for exercise? // Med. Sci. Sports Exerc., 1986, 18(2): 143–155.


315

182. Dempsey J.A., Gledhill N., Reddan W.G. et al. Pulmonary adaptation to exercise: effects of exercise type and duration, chronic hypoxia and physical training // Ann. N.Y. Academy of Sciences, 1977, 301(2): 243–261.

183. Dempsey J.A., Goodshild A.K., Robertson L.G. et al. Role of ventro-lateral medulla in vasomotor regulation; a correlative anatomical and physi-ological study // Brain Res., 1982, 249(1): 223–235.

184. Dempsey J.A., Hanson P.E., Pegelow C., Claremont A. Limitation to exercise capacity and endurance: pulmonary system // Can. J. appl. Sports Sci., 1982, 7(1): 4–13.

185. Dempsey J.A., Hanson P.E., Henderson K. Exercise-induced alveolar hypoxemia in healthy human subjects at sea level // J. Physiol. (London), 1984, 355(1): 161–175.

186. Dempsey J.A. et al. Respiratory muscle perfusion and energetics dur-ing exercise // Med. Sci. Sports Exerc., 1996, 28(8): 1123–1131.

187. Dennis S.C., Noakes T., Bosh H.N. Ventilation and blood lactate in-crease exponentially during incremental exercise // J. Sports Sci., 1992, 10(5): 437–449.

188. Donaldson S.K.B. Effect of acidosis on maximum force generation of peeled mammalian skeletal muscle fibers // Biochemistry of exercise / Eds. H.G. Knuttgen, J.A. Vogel, J. Poortmans. – Champaign, IL: Human Kinetics Publ. Inc., 1986: 126–133.

189. Duffin J., Ezure K., Lipski L. Breathing rhythm generation: focus on the rostral ventrolateral medulla // News Physiol. Sci., 1995, 10(1): 133–140.

190. Duling B.R. Control of striated muscle blood flow // The lung: sci-entific foundations / Eds. R.G. Crystal, J.B. West. – N.J.: Raven Press, Ltd., 1991. – 1497 p.

191. Dunbar C.C., Robertson R.J., Baun R. et al. The validity of regulat-ing exercise intensity by ratings of perceived exertion // Med. Sci. Sports J., 1992, 24(1): 94–99.

192. D’Urzo A.D., Chapman K.R., Rebuck A.S. Effect of inspiratory resis-tive loading on control of ventilation during progressive exercise // J. appl. Physiol., 1987, 62(1): 134–140.

193. Ebashi S. Excitation-contraction coupling and the mechanism of muscle contraction // Ann. Rev. Physiol, 1991, 53(1): 1–16.

194. Ebfield D., Hoffman U., Stegeman J. Ventilatory effects of hypercap-nic end-tidal рСО2

clamps during aerobic exercise of varying intensity // Eur. J. appl. Physiol., 1990, 60(2): 412–417.

195. Eklund B. Influence of work duration on the regulation of muscle blood flow // Acta Physiol. Scand., 1974, Suppl. 411: 67.

196. Ekblom B., Hermansen L. Cardiac output in athletes // J. appl. Physi-ol., 1968, 25(3): 619–627.

197. Eldridge F. Central integration of mechanisms in exercise hyper-pnea // Med. Sci. Sports Exerc., 1994, 26(3): 319–327.

198. Eldridge F., Essen B. CO2 sensitivity in human breathing 1 or 2% CO2 in air // Acta Physiol. Scand., 1987, 129(1): 195–202.


316

199. Essen B., Jansson E., Hendriksson J. et al. Metabolic characteristics of fiber types in human skeletal muscle // Acta Physiol. Scand., 1975, 95(2): 153–165.

200. Euler, von C. On the neural organization of the diaphragm // Am. Rev. Respir. Dis., 1979, 119(1): 45–50.

201. Feldman J.L., Smith J.S., Ellenberger H.H. Neurogenesis of respira-tory rhythm and pattern: emerging concept // Am. J. Physiol., 1990, 259(2); R879–R886.

202. Flenley D.C., Brash H., Clancy L. et al. Ventilatory response to steadу state exercise in hypoxia in humans // J. appl. Physiol., 1979, 46(2): 438–446.

203. Flenley D.C., Warren P.M. Ventilatory response to O2 and CO2 during exercise // Ann. Rev. Physiol., 1983, 45(2): 415.

204. Folinsbee L.J., Wallace E.S., Bedi J.F. et al. Respiratory patterns and control during unrestrained human running // Modelling and control of breathing / Eds. B.J. Whipp, D.M. Wiberg. – N.Y.: Elsevier, 1983: 205–212.

205. Fordyce W.E., Bennett F.M., Edelman S.K. et al. Evidence in man for a fast neural mechanism during the early phase of exercise hyperpnea // Respir. Physiol., 1982, 48(1): 27–43.

206. Formanek D., Wanke T., Lahrmann H. et al. Inspiratory muscle perfor-mance relative to the ventilatory threshold in healthy subjects // Med. Sci. Sports Exerc., 1993, 25(10): 1120–1125.

207. Fox J., Kreisman H., Colacone A. et al. Respiratory volume perception through the nose and mouth determines noninvasively // J. appl. Physiol., 1986, 61(3): 436–439.

208. Fregosi R.F. Short-term potentiation of breathing in humans // J. appl. Physiol., 1991, 71(3): 892–899.

209. Fujihara Y., Hildebrandt J.R., Hildebrandt J. Cardiorespiratory tran-sients in exercising man. I. Tests of superposition // J. appl. Physiol., 1973, 35(1): 58–67.

210. Fujihara Y., Hildebrandt J., Hildebrandt J.R. Cardiorespiratory tran-sients in exercising man. II. Linear models // J. appl. Physiol., 1973, 35(1): 68–76.

211. Gandevia S.C. Effects of increased ventilatory drive on motor unit firing rates in human inspiratory muscles // Am. J. Care Med., 1999, 160(5, pt. 1): 1598–1603.

212. Gandevia S.C. Role for perceived voluntary motor commands in mo-tor control // Tread Neurosci., 1987, 10(1): 81–85.

213. Gayeski T.E.J., Connett R.J., Honig C.R. Minimum intracellular pO2

for maximum cytochrom turnover in red muscle in situ // Am. J. Physiol., 1987, 252(8, Heart Circ. Physiol.): 906–915.

214. Gayeski T.E.J., Honig C.R. O2 gradients from sarcolemma to cell inte-rior in red muscle at maximal VО2

// Am. J. Physiol., 1986, 251(7, Heart Circ. Physiol.): 789–799.


317

215. Gayeski T.E.J., Honig C.R. Intracellular рО2 in long axis of individual

fibers in working dog gracilis muscle // Am. J. Physiol., 1988, 254(21, Heart Circ. Physiol.): H1179–H1186.

216. Gayton A.C., Jones C.E., Coleman T.G. Cardiac output in muscular exercise // Circulatory Physiology: Cardiac output, its regulation. – Phila-delphia: W.B. Saunders, 1973.

217. Gladden L.B. Lactate transport and exchance during exercise // Handbook of Physiology. Section 12. Exercise: Regulation and integration of multiple systems / Eds. L.B. Rowell, J.T. Shepard. – N.Y.: Oxford Univer-sity Press, 1996: 614–648.

218. Gladden L.B. Lactate uptake by skeletal muscle // Exerc. Sport Sci. Rev., 1989, 17(1): 115–155.

219. Gladden L.B. Muscle as a consumer of lactate // Med. Sci. Sports Exerc., 2000, 32(6): 764–771.

220. Gladden L.B. Lactic acid: New roles in a new millenium // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2001, 28(3): 395–397.

221. Gladden L.B. Lactate mеtabolism during exercise // Principles of Exercise Biochemistry, 3rd rev. ed. / J.R. Poortmans (ed.). – Basel: Karger, 2004: 152–196.

222. Glass S.C., Knowlton R.G., Becque M.D. Accuracy of RPE from grad-ed exercise to establish exercise training intensity // Med. Sci. Sports Exerc., 1992, 24(11): 1303–1307.

223. Gollnick F.D., Saltin B. Signaficance of skeletal muscle oxidative enzyme enhancement with endurance training // Clinical Physiol., 1982, 2(1): 1–12.

224. Greenhaff P.L. The creatine-phosphocreatine system: there’s more than one song in its repertoire // J. Physiol. (London), 2003, 537(7): 657–664.

225. Greenhaff P.L., Hultman E., Harris R.C. Carbohydrate metabolism // Principles of Exercise Biochemistry, 3rd rev. ed. / J.R. Poortmans (ed.). – Ba-sel: Karger, 2004: 108–151.

226. Griffiths T.L., Henson L.C., Huntsman D. et al. The influence of inspired O2 partial pressure on ventilatore and exchange kinetics during exercise // J. Physiol. (London), 1980, 306(1): 34–36.

227. Griffiths T.L., Henson L.C., Whipp D.J. Influence of inspired oxygen concentration on the dynamics of the exercise hyperpnea // J. Physiol. (Lon-don), 1986, 380(3): 387–407.

228. Guz A. Brain, breathing and breathlessness // Respir. Physiol., 1997, 109(3): 197–204.

229. Hamaoka T., Iwane H., Shinomitsu T. et al. Noninvasive measures of oxidative metabolism on working human muscles by near-infrared spec-troscopy // J. appl. Physiol., 1996, 81(12): 1410–1417.

230. Harms C.A., Stager J.M. Low chemoresponsiveness and inadequate hypoventilation contribute to exercise-induced hypoxemia // J. appl. Physiol., 1995, 79(2): 575–580.


318

231. Harms C.A., Wetter T.J., St. Croix C.M. et al. Effects of respiratory muscle work on exercise performance // J. appl. Physiol., 2000, 89(1): 131–138.

232. Harris R.C. Muscle energy metabolism in man in response to isometric contraction. A biopsy study. – Thesis, University of Wales, 1981. – 48 p.

233. Harris R.C., Hultman E., Kaijser L., Nordesjo L.O. The effect of circulatory occlusion on isometric exercise capacity and energy metabolism of the quadriceps muscle in man // Scand. J. Clin. Lab. Invest., 1975, 35(1): 87–95.

234. Harris R.C., Essen B., Hultman E. Glycogen phosphorylase in biopsy samples and single muscle fibers of muscles quadriceps femoris of man at rest // Scand. J. Clin. Lab. Invest., 1975, 36(5): 521–526.

235. Harris R.C., Edwards R.H., Hultman E. et al. The time course of phosphorylcreatine resynthesis during recovery of the quadriceps muscle in man // Pflugers Arch., 1976, 367(1): 137–142.

236. Harver H., Mahler D.A., Schwarzstein R.M., Baird J. Description of breathlessness in healthy individuals // Chest, 2000, 118(3): 679–690.

237. Hascler L.J., Hogan M.C., Richardson R.S. Skeletal muscle phosphocreatine recovery in exercise-trained humans is dependent on O2 availability // J. appl. Physiol., 1999, 86(12): 2013–2018.

238. Haskovitz E.M., Scip R.L., Weltman J.Y. et al. The effect of training intensity on ratings of perceived exertion // Int. J. Sports Med., 1992, 13(5): 377–383.

239. Hermansen L. Effect of metabolic changes on force generation in skeletal muscle during contraction // Human muscle fatigue: Physiological mechanisms / Eds. R. Porter, J. Whelon. – London: Pitman Medical Ltd., 1981: 76–84.

240. Hermansen L., Ekblom B., Saltin B. Cardiac output during submaximal and maximal treadmill and bicycle exercise // J. appl. Physiol., 1970, 29(1): 82–98.

241. Hermansen L., Osnes J.B. Blood and muscle pH after maximal exer-cise // J. appl. Physiol., 1972, 32(2): 304–308.

242. Hertzen, von R., Holmlund V., Rantd M.A. Optimalisen kilpajuoksun teoriasta // Arkhimedes (Finl.), 1998, 50(4): 16–22.

243. Hesser C.M., Linnarson D., Bjurstedt H. Cardiorespiratory and metabolic responses to positive, negative and minimum load dynamic leg exercise // Resp. Physiol., 1977, 30(1): 51–67.

244. Higgs B.E., Clode M., McHardy G.J.R. Changes in ventilation, gas exchange and circulation during exercise in normal subjects // Clin. Sci., 1967, 32(2): 329–337.

245. Hill D.W. The critical power concept. A review // Sports Med., 1993, 16(4): 237–254.

246. Hingebottam N., Jones K., Fitzpatrick M. et al. The control of breathing following heart and lung transplantation in man // J. Physiol. (London), 1986, 371(1): 125–135.

247. Hlastala M.P., Berger A.J. Physiology of Respiration. – N.Y.: Univ. of Washington, 1996. – 306 p.


319

248. Hochachka P.W. Patterns of O2 dependence of metabolism // Adv. Exp. Med. Biol., 1987, 222(1): 143–149.

249. Hochachka P.W. Muscle as molecular and metabolic machines. – Baca Raton: CRC Press, 1994. – 158 p.

250. Hogan M.C., Welch M.G. Effect of altered arterial O2 tensions on muscle metabolism in dog skeletal muscle fatiguening work // Am. J. Physiol., 1986, 251(Cell Physiol., v. 20): 216–222.

251. Holmgren A. Circulatory changes during muscular work in man // Scand. J. Clin. Lab. Invest., 1956, Suppl. 24. – 67 p.

252. Holtby S.G., Berezanski D.S., Anthonisen N.B. Effect of 100 per cent oxygen on hypoxic encapnic ventilation // J. appl. Physiol., 1988, 65(5): 1157–1162.

253. Homme N.M., Priette R.M., Brooks G.A. et al. Regulation of respiratory drive during exercise // Int. J. Sports Med., 1992, 13(2): 191–202.

254. Honda Y., Hashizume J. Evidence for hypoxic depression of CO2-ventilation response in carotid-resected humance // J. appl. Physiol., 1991, 70(2): 590–593.

255. Honig C.R., Gayeski T.E.J., Federspiel W.J. Muscle O2 gradients from hemoglobin to cytochrome: new concepts, new complexities // Adv. Exp. Med. Biol. 1984, 169(1): 23–38.

256. Hood D.A. Invited review: Contractile activity induced mitochondrial biogenesis in skeletal muscle // J. appl. Physiol., 2001, 90(3): 1137–1157.

257. Hughson R.H., Weisiger K.W., Swanson G.D. Blood lactate concentration increases as a continuous function in progressive exercise // J. appl. Physiol., 1987, 62(12): 1975–1981.

258. Hultman E., Greenhaff P.L., Ren J.H. Energy metabolism and fatigue during intense contraction // Biochem. Soc. Trans., 1991, 19(2): 347–353.

259. Hultman E., Sahlin K. Acid-base balance during exercise // Exerc. Sport Sci. Rev., 1980, 8: 41–128.

260. Hultman E., Sjoholm H. Substrate availability // Biochemistry of Exercise / Eds. H.G. Knuttgen, J.A. Vogel, J. Poortmans. – Champaign, IL: Human Kinetics, 1983: 63–75.

261. Hultman E., Sjoholm H. Energy metabolism and contraction force of human skeletal muscle in situ during electrical stimulation // J. Physiol. (London), 1983, 345(4): 525–532.

262. Hwang W.N., Yamashiro S.M., Sedlook D., Grodins F.S. Ventilatory re-sponse to CO2 and O2 near eupnea in awake dogs // J. appl. Physiol., 1988, 65(3): 788–794.

263. Iandelli I., Aliverti A., Kayser B. et al. Determinants of exercise perfor-mance in normal men with externally imposed expiratory flow limitation //J. appl. Physiol., 2002, 92(5): 1943–1952.

264. Inbar O., Weinstein Y., Kovalski A. Effects of increased ventilation and improved pulmonary gas exchange on maximal oxygen uptake and power out-put // Scand. J. Med. Sci. Sports, 1993, 3(1): 81–88.


320

265. Ingemann-Jensen J., Vejby-Christensen H., Petersen E.S. Ventilatory response to work initiated at various times during the respiratory cycle // J. appl. Physiol., 1972, 33(6): 744–750.

266. Ioshida T., Udo M., Chida M. et al. Effect of hypoxia on arterial and venous blood levels of oxygen, carbon dioxide, hydrogen ions and lac-tate during incremental forearm exercise // Eur. J. appl. Physiol., 1989, 58(6): 772–777.

267. Jammes Y., Askanazi J., Weissman C. et al. Ventilatory effect of biceps vibration during leg exercise in nealthy man // Clin. Physiol. (Oxford), 1984, 5(2): 379–392.

268. Johnson A.T., Scott W.H., Lausted G.G. et al. Effect of resistance level on constant load treadmill work performans // Am. Ind. Ass. J., 1999, 60(4): 474–479.

269. Jones N.L., Killian J. Exercise limitation in health and disease // New Engl. J. Med., 2000, 343(9): 632–641.

270. Jong J.S., Davis E.J. Reconstruction of steady state in cell-free sys-tems. Interaction between glycolysis and mitochondrial metabolism regula-tion and phosphorylation states // Arch. Biochem. Biophys., 1983, 222(1): 179–191.

271. Joss E. Spiroergometrie bei Gesunden // Helv. Med. Acta, 1959, 26(1): 24–48.

272. Juel C. Current aspects of lactate exchange: Lactate/H+ transport in human skeletal muscle // Eur. J. appl. Physiol., 2001, 86(1): 12–16.

273. Juel C., Halestrap A.P. Lactate transport in skeletal muscle – role and and regulation of the monocarboxylate transporter // J. Physiol. (London), 1999, 517(5): 633–642.

274. Jurugi R., Iizuka M., Akiyama T. On the change of gas metabolism in man during physical exercise // Jap. J. aerosp. Med. Psychol., 1963, 1(10): 26–32.

275. Kalia M. Role of muscle receptors connected to nonmyelated fibers in reflex hyperventilation // Acta Neurobiol, 1973, 73(1): 71–74.

276. Kamide N. Effect of hypercapnia on hypoxia induced ventilatory depression in man // J. ikeikai Med. J. (Jap.), 1987, 34(4): 603–607.

277. Karlsson J. Pyruvat and lactate ratios in muscle tissue and blood dur-ing exercise in man // Acta Physiol. Scand., 1971, 81(3): 455–458.

278. Karlsson J. Antioxidats and exercise. – Champign, IL: Human Kinet-ics, 1997. – 211 p.

279. Karozewski W.A., Romaniuk J.R. Neural control of breathing and cen-tral nervous system plasticity // Ann. Acad. Med. Lodzeusis, 1978, 19: 28–35.

280. Katayama K., Sato Y., Morotome Y. Ventilatory chemosensitive adap-tation to intermittent hypoxic exposure with endurance training and detrain-ing // J. appl. Physiol., 1999, 86(6): 1805–1811.

281. Katz A., Sahlin K. Effect of decreased oxygen availability on NADH and lactate contents in human skeletal muscle during exercise // Acta Physi-ol. Scand., 1987, 131(1): 119–127.


321

282. Katz A., Sahlin K. Regulation of lactic acid production during exercise // J. appl. Physiol., 1988, 65(2): 509–518.

283. Katz A., Sahlin K., Broberg S. Regulation of glucose utilization in hu-man skeletal muscle during moderate dynamic exercise // Am. J. Physiol., 1991, 260(3): E411–E415.

284. Katz-Salamon M. Judgment of different ventilatory parameters by healthy human subjects. – Stockholm, 1983. – 87 p.

285. Kaufmann D.A. et al. Pulmonary function of marathon runners // Med. Sci. Sports Exerc., 1974, 6(1): 114–119.

286. Kay J.D.S., Petersen E.S., Vejly-Christensen H. Mean and breath-by-breath pattern of breathing in man during steady-state exercise // J. Physiol., 1975, 251(4): 657–669.

287. Kayser B., Sliwinski P., Yan S. Respiratory effort sensation during ex-ercise with induced expiratory flow limitation in healthy humans // J. appl. Physiol., 1997, 83(3): 936–947.

288. Kearon M.C., Summers E., Jones N.L. et al. Effort and despnea dur-ing work of varying intensivity and duration // Eur. Respir. J., 1991, 4(8): 917–925.

289. Kelley K.M., Hamann J.J., Navarre C., Gladden L.B. Lactate metabo-lism in resting and contracting canine skeletal muscle with elevated lactate concentration // J. appl. Physiol., 2002, 93(7): 865–872.

290. Kenyon C.M., Cala S.J., Yan S. et al. Rib cage mechanics during quiet breathing and exercise in humans // J. appl. Physiol., 1997, 83(4): 1242–1255.

291. Keul J., Doll E., Keppler D. Energy metabolism of human muscle. – Basel: S. Karger, 1972. – 313 p.

292. Keul J., Keppler D., Doll E. Lactate-pyruvate ratio and its relation to oxygen pressure in arterial, coronarvenous and femoralvenous blood // Arch. int. Physiol. Biochem., 1967, 75(4): 543–549.

293. Kiens B., Saltin B., Wallos L., Wesche J. Temporal relationship between blood flow changes and release of ions and metabolites from muscle upon sin-gle weak contractions // Acta Physiol. Scand., 1989, 136(4): 551–559.

294. Kikuchi Y. Dyspnea sesation during resistive loading // Nikon Kuobu Shikkau Aakini Zaaschi (Jap.), 1992, 31(4): 541–546.

295. Killian K.J. Breathlessness – the sence of respiratory muscle effort. The perception of exertion in physical work. – Stockholm, 1986. – 79 p.

296. Killian K.J., Summers E., Jones N.L. Dyspnea and leg effort during incremental cycle ergometry // Am. Rev. Respir. Dis., 1992, 145(6): 1339–1345.

297. Knafele M., Davenport P.W. Relationship between magnitude esti-mation of resistive loads, inspiratory pressures and RREP Pi peak // J. appl. Physiol., 1999, 87(2): 516–522.

298. Koga Sh., Shiojiri T., Kondo N. Measuring VO2 kinetics: The prac-

ticalities // Oxygen uptake kinetics in sport, exercise and medicine / Eds. A.M. Jones, D.C. Poole. – London: Routledge, 2005: 39–61.


322

299. Kohi J., Koller E., Jaeger M. Relation between pedaling and breathing rhythm // Eur. J. appl. Physiol., 1981, 47(2): 223–238.

300. Koike A., Wasserman K., Taniguchi K. et al. The critical capillary рO2

and the anaerobic threshold during exercise in patients with cardiovascular diseases // J. Am. Coll. Cardiol., 1994, 23(8): 1644–1650.

301. Korge P., Campbell K.B. Local ATP regeneration is important for sar-coplasmic reticulum Ca++ pump function // Am. J. Physiol., 1994, 287(2): 357–366.

302. Lambertsen Ch.J. Interaction of physical, chemical, and nervous fac-tors in respiratory control // Medical Physiology, 11 ed. / Ed. Ph. Bard. – St. Louis: S.V. Mosby, 1961: 654–690.

303. Lambertsen Ch.J. Anoxia, altitude, and acclimatization // Medical Physiology, 11 ed. / Ed. Ph. Bard. – St. Louis: S.V. Mosby, 1961: 691–708.

304. Lehninger A.L. Bioenergetics. – Membo Park, CA: Benjamin, 1972. – 264 p.

305. Levine S. Stimulation of ventilation by exercise-released humoral agents // Chest, 1978, 73(2): 279–284.

306. Lincoln C.E. In search of the second wind: beyond fatigue but before exhausting lies a hazy state of athletic renewal // Sport (New York), 1987, 78(7): 87–88.

307. Loring S.H., Mead J., Waggener B. Determinants of breathing frequen-cy during walking // Respir. Physiol., 1991, 82(2): 177–188.

308. Lubers P.W. Tissue oxygen supply and critical oxygen pressure // And. Physiol. Sci., 1984, 25(1): 3–12.

309. Luhtanen P., Pahkila P., Rusko H. Mechanical work and efficiency of treadmill running at aerobic and anaerobic thresholds // Acta Physiol. Scand., 1990, 139(1): 153–159.

310. Lundin G., Strom G. The concentration of blood lactic acid in man during muscular work in relation to the partial pressure of oxygen of the inspired air // Acta Physiol. Scand., 1947, 13(2): 253–256.

311. Luo Y.M., Hart N., Mustafa N. et al. Effect of diaphragm fatigue on neural respiratory drive // J. appl. Physiol., 2001, 90(5): 1691–1699.

312. Mador K.T., Magaland U. Effect of hyperoxia on diaphragmatic fatigue following cycle exercise in normal subjects // Am. Rev. Respir. Dis., 1992, 145(4, pt. 2): A149.

313. Mador M.J., Tobin M.J. Effect of alteration in mental activity on the breathing pattern in healthy subjects // Am. Rev. Respir. Dis., 1991, 144(3): 481–487.

314. Mahler P.A. Ventilatory responses at rest and during exercise in mara-thon runners // J. appl. Physiol., 1982, 52(3): 388–392.

315. Manchar M., Hassan A.S. Diaphragmatic energetics during prolonged exercise // Am. Rev. Respir. Dis., 1991, 144(2): 415–422.

316. Margaria R. The sources of muscular energy // Sci. Amer., 1972, 226(3): 84–91.

317. Margaria R. Biomechanics and energetics of muscular exercise. – Ox-ford: Clarendon Press, 1976. – 78 p.


323

318. Margaria R., Aghemo P., Rovelli E. Measurement of muscular power (anaerobic) in man // J. appl. Physiol., 1966, 21(8): 1662–1664.

319. Martin B.J., Weil J.V., Sparks K. Chemical drives to breath as determi-nants of exercise ventilation // Chest, 1978, 73(Suppl. 283): 1–17.

320. Matell G. Time-courses of changes in ventilation and arterial gas tension in man induced by moderate exercise // Acta Physiol. Scand., 1963, 58(Suppl. 206): 1–53.

321. Mattews P.B.C. Where does Sheeington’s “muscle sence” originate? Muscles, joints, coronary dischange? // Ann. Rev. Neurosci., 1982, 5(1): 189–218.

322. Maughan R., Gleeson M., Greenhaft P.L. Biochemistry of exercise and training. – Oxford: Oxford University Press, 1997. – 234 p.

323. McArdle W.D., Katch F.I., Katch V.L. Exercise Physiology. – Philadel-phia: Lea, Febiger. – 427 p.

324. McClaran S.R., Wetter T.J., Dempsey J.A. Role of expiratory flow limi-tation in determining lung volumes and ventilation during exercise // J. appl. Physiol., 1999, 86(4): 874–899.

325. McComes A.J. Skeletal muscle: form and function. – Champaign, IL: Human Kinetics, 1996. – 401 p.

326. McCrimmon D.R. Pattern formation and rhythm generation in the ventral respiratory group // Clin. Exper. Pharmacol. Physiol., 2000, 27(1–2): 126–131.

327. McGilvery R.W. Biochemistry. A functional approach. – Philadel-phia: W.B. Saunders, 1970. – 367 p.

328. McKenzie P.K., Gandevia S.C. Recovery from fatigue of human dia-phragm and limb muscle // Respir. Physiol., 1991, 84(1): 49–57.

329. McLane J.A., Holloszy J.O. Glycogen synthesis from lactate in the three types of skeletal muscle // J. Biol. Chem., 1979, 254(10): 6548–6553.

330. Mercier J., Ramonatxo M., Prefant C. Hyperpnea and CO2 sensitivity of the respiratory center during exercise // Eur. J. appl. Physiol., 1990, 59(2): 411–415.

331. Meyer R.A. A linear model of respiration explains monoexponential phosphocreatine changes // Am. J. Physiol., 1988, 204(3): 548–553.

332. Meyer R.A., Foley M. Cellular processes integrating the meta-bolic response to exercise // Handbook of Physiology / Eds. L.B. Rowell, J.T. Shepard. – N.Y.: Oxford University Press, 1996.

333. Millhorn D.E., Eldridge F.L. Role of ventrolateral medulla in regula-tion of respiratory and cardiovascular system // J. appl. Physiol., 1986, 61(3): 1249–1263.

334. Miyamura M., Ishida K. Adaptive changes in hypercapnic ventilatory response during training and detraining // Eur. J. appl. Physiol., 1990, 60(2): 353–359.

335. Montmerle S., Spoak J., Limnorsson D. Lung function during and after prolonged head-down bed rest // J. appl. Physiol., 2002, 92(1): 75–83.


324

336. Moosavi S., Adams L., Guz A. Effect of sustained “inappropriate” ven-tilation during exercise on perception of ventilatory discomfort in man // Am. Rev. Respir. Dis., 1992, 145(4, pt. 2): A880.

337. Moosavi S., Guz A., Adams L. Repeated exercise paired with “imper-ceptible” dead space loading does not alter VE of subsequent exercise in hu-mans // J. appl. Physiol., 2002, 92(3): 1159–1168.

338. Murray J.M., Weber A. The cooperative action of muscle proteins // Sci. Amer., 1974, 230(1): 58–71.

339. Nattie E.E. Central chemoreception // Regulation of Breathing. – N.Y.: Marcel Dekker, 1995: 473–510.

340. Nava S., Zanotti E., Rampula C. Respiratory muscle fatigue does not limit exercise performance during moderate endurance run // J. Sports Med. Fitness, 1992, 32(1): 39–44.

341. Nibo L., Nielsen B. Perceived exertion associated with an altered brain activity during exercise with progressive hyperthermia // J. appl. Physiol., 2001, 92(5): 2017–2023.

342. Noble E.G., Rice C.K., Taylor A.W. Evolving concepts of skeletal muscle fibers // Principles of Exercise Biochemistry, 3rd rev. ed. / Ed. J.R. Poortmans. – Basel: Karger, 2004: 36–61.

343. Nye P.C.G. Identification of peripheral chemoreceptor stimuli // Med. Sci. Sports Exerc., 1994, 26(3): 311–312.

344. O’Donnell D.E., Hang H.H., Webb K.A. Respiratory sensation during chest wall restriction and dead space loading in exercising men // J. appl. Physiol., 2000, 88(5): 1859–1869.

345. O’Kroy J.A., Coast J.R. Effects of respiratory muscle training on respiratory muscle endurance and strength // Med. Sci. Sports Exerc., 1992, 24(5): 180.

346. Oleberg D.A., Evans A.B., Horvat M.I. Skeletal muscle chemoreflex and pH in exercise ventilatory control // J. appl. Physiol., 1998, 84(2): 676–683.

347. Orr R.S., Jordan A.S., Catcheside P. et al. Sustained hypoxic suppressed the perception of the magnitude of inspiratory resistice loads // J. appl. Physiol., 2000, 89(1): 47–55.

348. Otis A. The work of breathing // Handbook of Physiology. Sect. 3. Respiration. Vol. 1 / Eds. W. Fenn, H. Rahn. – Washington, D.C.: Am. Physiol. Soc., 1964: 463.

349. Pandit J.J., Robbins P.A. The ventilatory effects of sustained isocapnic hypoxia during exercise in humans // Respir. Physiol., 1991, 86(3): 393–404.

350. Passmore K., Durnin J.V.G.A. Human energy expenditure // Physiol. Rev., 1955, 35(6): 801–840.

351. Pate R.R., Macera C.A., Balley S. et al. Physiological, antropometric and training correlates of running economy // Med. Sci. Sports Exerc., 1992, 24(10): 1128–1173.

352. Paterson D. Potassium and ventilation in exercise // J. appl. Physiol., 1992, 72(7): 811–820.


325

353. Paterson D.J., Wood G.A., Morton A.R. et al. The entrainment of ventilation frequency to exercise rhythm // Eur. J. appl. Physiol., 1986, 55(3): 530–537.

354. Peret C., Pfeiffer R., Boutellier U. et al. Noninvasive measurement of respiratory performance after exhaustive endurance exercise // Eur. Respir. J., 1959, 11(2): 264–269.

355. Petersen E.S., Muangdit R., Cunningham P.J.C. The effect of acute hypocapnia on the response to inhaled CO2 in man // Centr. Neuron. Environ. Contr. Syst. Breath. Circul. – Berlin, 1983: 109–115.

356. Piiper J. Production of lactic acid in heavy exercise and acid-base balance // Moret P.R., Weber J., Haissly J. et al. Lactate: Physiologic, Methodologic and Pathologic Approach. – N.Y.: Springer, 1980: 35–45.

357. Pilegaard H., Terzis G., Halestrep A., Juel C. Distribution of the lactate/ H+ transporter isoform MCT1 and MCT4 in human skeletal muscle // Am. J. Physiol., 1999, 276: E843–E848.

358. Poon C.S., Ward S.A., Whipp B.J. Influence of inspiratory assistance on ventilatory control during moderate exercise // J. appl. Physiol., 1987, 62(2): 551–560.

359. Powers S.K., Jacques M., Richard R., Beadle R.E. Effects of breathing a normoxic He–O2 mixture on exercise tolerance and VO2 max // Int. J. Sports Med., 1986, 7(4): 217–221.

360. Powers S.K., Lawler J., Criswell D. et al. Endurance training induces cellular adaptations in respiratory muscles // J. appl. Physiol., 1990, 68(6): 2114–2118.

361. Powers S.K., Martin D., Dodd J. Exercise-induced hypoxaemia in elite endurance athletes: Incidence, causes and impact of VО2

max // Sport Med., 1993, 16(1): 14–22.

362. Prabhakar N.R. Oxygen censing by the carotid bode chemorecep-tors // J. appl. Physiol., 2000, 88(6): 2287–2295.

363. Raschke F. Chronobiologische gesichtspunkte der Atmungsregula-tion // Wien. Med. Wochenschr., 1995, 145(17–18): 435–439.

364. Rebuck A.S., Slutsky A.S., Mahulte C.K. A mathematical expression to describe the ventilatory response to hypoxia and hypercapnia // Respir. Physiol., 1977, 31(1): 107–116.

365. Redline S., Gottfried S.B., Altose M.D. Effects of changes in inspira-tory muscle strength on the sensation of respiratory force // J. appl. Physiol., 1991, 70(1): 240–245.

366. Reiner K.A., Jennings R.B. Biological basis for limitation of infaret size // Myocardial and skeletal muscle bioenergetics / Ed. N. Brantbar. – N.Y.: Plenum Press, 1986: 315–330.

367. Ricgter D.W. Rhythmogenesis of respiratory movements. Cen-tral control of the autonomic neurous system. – N.Y.: Harvard Acad. Publ., 1992: 1–10.

368. Richardson R.S., Noyszewsky E.A., Leigh J.S., Wagner P.P. Lactate efflux from exercising human skeletal muscle: Role of intracellular pO2

// J. appl. Physiol., 1998, 85(5): 627–634.


326

369. Rigatto H., Fitzgerald S.F., Willis M.A., Yu C. In search of the real respiratory neurons: Culture of medullary fetal cells sensitive to CO2 and low pH // Biol. Neonate, 1994, 65(3): 149–155.

370. Robbins M.K., Gleeson K., Zwillich C.W. Effect of oxygen breathing following submaximal and maximal exercise on recovery and performance // Med. Sci. Sports Exerc., 1992, 24(6): 720–725.

371. Robertson R.J., Nixon P., Caspersen C.I. et al. Abatement of exertional perceptions during dynamic exercise: physiological mediators // Med. Sci. Sports Exerc., 1992, 24(1): 189–197.

372. Robinson E.P., Kjeldgaard J.M. Improvement in ventilatory muscle function with running // J. appl. Physiol., 1982, 52(5): 1400–1406.

373. Roe S.M., Nolan P., O’Regan R.G. Potassium and ventilation during exercise above and below the ventilatory threshold // Respir. Physiol., 1997, 109(2): 117–126.

374. Rossiter H.B., Howe F.A., Ward S.A. Intramuscular phosphate and pul-monary VО2

kinetics during exercise // Oxygen Uptake Kinetics in Sport, Exercise and Medicine / Eds. A.M. Jones, D.C. Poole. – London: Routledge, 2005: 154–184.

375. Roussos C., Campbell E.J.M. Respiratory muscle energetics // Hand-book of Physiology. Sect. 3, pt. 2. – Bethesda, 1986: 481–494.

376. Rowell L.B. Human circulation: regulation during physical stress. – N.Y.: Oxford University, 1986. – 347 p.

377. Sahlin K. Intracellular pH and energy metabolism in skeletal muscle of man: With special reference to exercise // Acta Physiol. Scand., 1978, Sup-pl. 455: 1–56.

378. Sahlin K. Effect of acidosis on energy metabolism and force genera-tion in skeletal muscle // Biochemistry of Exercise / Eds. H.G. Knuttgen, J.A. Vogel, J. Poortmans. – Champaign, IL: Human Kinetics, 1983: 151–160.

379. Sahlin K. High-energy phosphates and muscle energetics // Prin-ciples of Exercise Biochemistry / Ed. J.R. Poortmans. – 3rd rev. ed. – Basel: Karger, 2004: 87–107.

380. Sahlin K., Broberg S., Ren J.M. Formation of inosine monophosphate (IMP) in human skeletal muscle during incremental dynamic exercise // Acta Physiol. Scand., 1989, 136(2): 193–198.

381. Sahlin K., Harris R.C., Nylind B., Hultman E. Lactate content and pH in muscle samples obtained after dynamic exercise // Pfluger’s Arch., 1976, 367(1): 143–149.

382. Sahlin K., Katz A., Henriksson J. Redox state and lactate accumula-tion in human skeletal muscle during dynamic exercise // Biochem. J., 1987, 245(4): 551–556.

383. Saks V.A. Phosphocreatine pathway for intracellular energy trans-port: current state of study // Creatine phosphate: biochemistry, pharmaco-logy and clinical efficiency / Eds. V.A. Saks, Y.G. Bobkov, E. Strrumia. – To-rino: Edizion Minerva Medica, 1997: 3–7.

384. Sargeant A.J. Human power output and muscle fatigue // Int. J. Sports Med., 1994, 15(1): 116–121.


327

385. Schlaefke M.E., Kiele J.F., Loeschke H.H. Elimination of central che-mosensitivity by coagulation of bilateral area of the ventral medullary surface in awake cats // Pflueger’s Arch., 1979, 378(1): 231–241.

386. Schmidt W., Massen N. Einfluss von Leistungssport auf das Stoff-wechselverhalten des Korpers // Wien. Med. Wochtnsch., 1998, 148(10): 239–242.

387. Schneider D.S., Phillips S.E., Stoffeland S. The simplified V-slope method of detecting the gas exchange threshold // J. Med. Sci. Sports Exerc., 1993, 25(10): 1180–1184.

388. Schwarz L., Kinderman W. Beta-endorphin, catecholamines and cor-tisol during exhaustive endurance exercise // Int. J. Sports Med., 1989, 10(2): 324–328.

389. Selkirk G.A., McLellan T.M. Influence of aerobic fitness and body fatness on tolerance to uncompensable heat stress // J. appl. Physiol., 2001, 91(5): 2055–2063.

390. Sharf S.M., Bark H., Heimer D. et al. Second wind during inspiratory loading // Med. Sci. Sports Exerc., 1984, 16(1): 87–91.

391. Shephard R.J. The oxygen cost of breathing during vigorous exer-cise // Quart. J. Exp. Physiol., 1966, 51(2): 336–350.

392. Shephard R.J. What causes second wind? Conditioning and fitness: cur-rent answers to relevant questions // Dubuque: Brown, Sect. 3, 1978: 98–105.

393. Shephard R.J. Exercise physiology and performance of sport // Sport Sci. Rev., 1992, 1(1): 1–12.

394. Shwalbinska-Moneta J., Rogbergs R.A., Costill D.L., Fink W.J. Thresh-old for muscle lactate accumulation during progressive exercise // J. appl. Physiol., 1983, 55(10): 1178–1186.

395. Simonson E., Enzer N. Physiology of muscular exercise and fatigue in disease // Medicine, 1942, 21(4): 345–419.

396. Skinner J., McLellan T. The transition from aerobic to anaerobic exer-cise // Res. Quart., 1980, 51(2): 234–248.

397. Skinner N.S., Costin J.C. Interactions of vasoactive substances in ex-ercise hyperemia: O2, K+ and osmolarity // Am. J. Physiol., 1970, 219(11): 1386–1394.

398. Slater E.C. Mechanism of phosphorylation on respiratory chain // Nature, 1953, 172(5): 975–983.

399. Snyder A.C., Jeukenddrup A.E., Hesselink M.K.C. et al. A physiologi-cal/psychological indicator of over-reaching during intensive training // Int. J. Sports Med., 1993, 14(1): 29–32.

400. Stainsby W.N., Brooks G.A. Control of lactic acid metabolism in con-tracting muscle and during exercise // Exerc. Sport Sci. Rev., 1990, 18(1): 29–69.

401. St. Croix C.M., Cunningham M., Patterson D.H. Nature of the interac-tion between central and peripheral chemoreceptor drives in human subjects // Can. J. Physiol. Pharmacol., 1996, 74(6): 640–646.

402. Stewart P.A. Modern quantitative acid-base chemistry // Can. J. Physiol. Pharmacol., 1983, 61(12): 1444–1461.


328

403. Stienen G.J., Kiers J.L., Bottinelli R. et al. Miofibrillar ATPase activity in skinned human skeletal muscle fibers: Fiber type and temperature depen-dence // J. Physiol. (London), 1996, 493(3): 299–307.

404. Stringer W., Casaburi R., Wasserman K. Acid-base regulation during exercise and recovery in man // J. appl. Physiol., 1992, 72(8): 954–961.

405. Stringer W., Hansen J., Wasserman K. Cardiac output estimated non-inversively from oxygen uptake (VО2

) during exercise // J. appl. Physiol., 1997, 82(9): 908–912.

406. Stringer W., Wasserman K., Casaburi R. et al. Lactic acidosis as a facili-tator of oxyhemoglobin dissociation during exercise // J. appl. Physiol., 1994, 76(12): 1462–1467.

407. Stringer W., Wasserman K., Casaburi R. The VСО2/VО2

relationship during heavy, constant work rate exercise reflects the rate of lactate accumu-lation // Eur. J. appl. Physiol., 1995, 72(1): 25–31.

408. Sugano T., Oshima N., Chance B. Mitochondrial functions under hy-poxic conditions. The steady state of cytochrome reduction and energy me-tabolism // Diochem. Biophys. Acta, 1974, 347(3): 340–358.

409. Sullivan T.Y., Muzzin S., Hamilton R.D. et al. Volume detection during voluntary and passive breathing // Respir. Physiol., 1991, 84(3): 323–335.

410. Tallman R., Marcolin R., Howie M. et al. Cardiopulmonary response to extracorporal venous CO2 removal in awake spontaneously breathing dogs // J. appl. Physiol., 1986, 61(3): 516–522.

411. Tanaka K., Matsumura Y., Matsuzaka A. et al. A longitudinal assess-ment of anaerobic threshold and distance-running performance // Med. Sci. Sports Exerc., 1984, 16(3): 278–282.

412. Textbook of Respiratory Medicine / Eds. J.F. Murrey, J.A. Nadel. – Philadelphia: Saunders, 2000. – 562 p.

413. Tibes U. Neurogenic control of ventilation in exercise // Exercise bioenergetics and gas exhange. – Milan, 1980: 149–158.

414. Todaro A., Gallozzi C., Marini C. Considerazioni sulla massima venti-lazione volontaria nella valutazione medico-sportiva // Med. Sport (Torino), 1988, 41(1): 7–10.

415. Trosper T.L., Philipson K.D. Lactate transport by cardiac sarcolemmal vesicles // Am. J. Physiol., 1987, 252(4): 483–489.

416. Veech R.L., Cornell N.W., Krebs H.A. Cytosolic phosphorylation po-tential // J. Biol. Chem., 1979, 254(14): 6538–6547.

417. Vecchiet L., Vecchiet J., Giamberardino M.A. Muscle pain from physi-cal exercise // J. Musculoskelet. Pain, 1999, 7(1–2): 43–53.

418. Vicini P., Kushmerick M.J. Cellular energetics analysis by a math-ematical model of energy balance: Estimation of parameters in human skeletal muscle // Am. J. Physiol. Cell Physiol., 2000, 279(2): 213–224.

419. Vilazni D., Bar-Yichai E., Beardsmore C.S. et al. A noninvasive meth-od for measuring inspiratory muscle fatigue during progressive isocapnic hy-perventilation in man // Eur. J. appl. Physiol., 1987, 56(4): 433–440.


329

420. Vogt A.M., Holger N., Schaper J. et al. Metabolic control analysis of anaerobic glycolysis in human hibernating myocardium replaces tradition-al concepts of flux control // FEBS Lett., 2002, 517(2): 245–250.

421. Volkov N.I. The energy continuum and metabolic states of athletes in muscular activity // Biochemistry of Sport: Materials of the International Symposium, Leningrad, July 18–20, 1989. – Leningrad: Leningrad Research Institute of Physical Culture, 1990: 159–173.

422. Volkov N.I., Vojtenko Y.L., Popov O.I. Physiological criterions of ad-aptation in man to physical loads // Хабаршы вестник. Серия биологиче-ская. № 4(34). – Алматы: Каз. нац. университет им. Аль-Фараби, 2007: 24–29.

423. Walker J.B. Creatine: Biosynthesis, regulation, and function // Adv. in Enzymology, 1979, 50(1): 177–242.

424. Walsh B., Tonkonogi M., Soderlund K. et al. The role of phosphoryl-creatine and creatine in the regulation of mitochondrial respiration in human skeletal muscle // J. Physiol. (London), 2001, 537(9): 971–978.

425. Ward S.A. Assessment of peripheral chemoreflex contributions to ex-ercise // Med. Sci. Sports Exerc., 1994, 26(3): 303–310.

426. Warren G.L., Cureton K.L., Sparling P.B. Does lung function limit performance in a 23-hour ultramarathon? // Respir. Physiol., 1989, 78(2): 253–264.

427. Wasserman K. The anaerobic threshold measurement to evaluate exercise performance // Am. Rev. Respir. Dis., 1984, 129(Suppl.): 535–540.

428. Wasserman K. Coupling of external to internal respiration // Am. Rev. Respir. Dis., 1984, 129(Suppl.): 21–24.

429. Wasserman K. Coupling of external to cellular respiration during exercise: The wisdom of the body revisited // Am. J. Physiol., 1994, 266: E519–E539.

430. Wasserman K., Beaver W.L., Davis J.A. et al. Lactate, pyruvate, and lactate-to-pyruvate ratio during exercise and recovery // J. appl. Physiol., 1985, 59(9): 935–940.

431. Wasserman K., Beaver W.L., Whipp B.J. Gas exchange theory and the lactic acidosis (anaerobic) threshold // Circulation, 1990, 81(Suppl. II): II 14–II 30.

432. Wasserman K., Hansen J.E., Sue D.Y. et al. Principles of exercise testing and interpretation, 3rd ed. – Philadelphia: Lippincott Williams and Wilkins, 1999. – 551 p.

433. Wasserman K., Stringer W.W., Casaburi R. Mechanism of the exer-cise hyperkalemia: an alternate hypothesis // J. appl. Physiol., 1997, 83(6): 631–643.

434. Wasserman K., Van Kessel A.L., Burton G.B. Interaction of physiologi-cal mechanisms during exercise // J. appl. Physiol., 1967, 22(1): 71–85.

435. Wasserman K., Whipp B.J. The carotid bodies and respiratory control in man // Morphology and mechanisms of chemoreceptors. – Delhi, 1976: 174–175.


330

436. Wasserman K., Whipp B.J., Casaburi R. Respiratory control during ex-ercise // Handbook of Physiology. Sect. 3. The respiratory system. – Bethes-da, Maryland, 1986: 595–619.

437. Wasserman K., Whipp B.J., Koyal S.N. et al. Anaerobic threshold and respiratory gas exchange during exercise // J. appl. Physiol., 1973, 35(2): 236–243.

438. Weiner P., Azgard Y., Inbar O. Specific inspiratory muscle training in elite marathon runners // Am. Rev. Respir. Dis., 1992, 145(4, pt. 2): A878.

439. Wells J.G., Balke B., Van Fossen B.D. Lactic acid accuvulation during work. A suggested standardization of work classification // J. appl. Physiol., 1957, 10(1): 51–55.

440. West D.W.M., Ellis C.G., Campbell E.G. Ability of man to detect in-creases in his breathing // J. appl. Physiol, 1975, 39(1): 372–376.

441. West J.B. Respiratory Physiol. – Philadelphia: Lippincott Williams and Wilking, 1998. – 471 p.

442. Whipp B.J. Peripheral chemoreceptor control of exercise hyperpnea in humans // Med. Sci. Sports Exerc., 1994, 26(3): 337–347.

443. Whipp B.J. The control of the exercise hyperpnea // The regulation of breathing / Ed. T. Hornbein. – N.J.: Marcel Dekker, 1981: 1069–1139.

444. Whipp B.J. Ventilatory control during exercise in man // Ann. Rev. Physiol., 1983, 45: 393–413.

445. Whipp B.J., Davis J.A., Wasserman K. Ventilatory control of the “iso-capnic buffering” region in rapidly incremental exercise // Respir. Physiol., 1989, 76(2): 357–368.

446. Whipp B.J., Pardy R. Breathing during exercise // Handbook of Physiol. Sect. 3. The respiratory system / Eds. P.T. Macklem, J. Mead. – Bethesda, Maryland: Amer. Physiol. Soc., 1986: 605–636.

447. Whipp B.J., Rossiter H.B. The kinetics of oxygen uptake: Physiologi-cal iferences from the parameter // Oxygen Uptake Kinetics in Sport, Exer-cise and Medicine / Eds. A.M. Jones, D.C. Poole. – London: Routledge, 2005: 62–94.

448. Whipp B.J., Ward S.A. Ventilatory control dynamics during muscular exercise in man // Int. J. Sports Med., 1980, 1(4): 146–159.

449. Whipp B.J., Ward S.A. Coupling of ventilation to pulmonary gas ex-change during exercise // Exercise: Pulmonary Physiology and Pathophysi-ology. – N.J.: Marcel Dekker, 1991. – 245 p.

450. Whipp B.J., Ward S.A. Respiratory responses of athletes to exercise // Oxford Textbook of Sports Medicine / Eds. M. Harries, C. Williams, W.D. Stanish, L.J. Micheli. – N.Y.: Oxford University Press, 1996: 13–27.

451. Whipp B.J., Ward S.A., Lamara M. et al. Parameters of ventilatory and gas exchange dynamics during exercise // J. appl. Physiol., 1982, 52(11): 1506–1513.

452. Whipp B.J., Wasserman K. Oxygen uptake kinetics for various intensi-ties of constant-load work // J. appl. Physiol., 1972, 33(2): 351–359.


331

453. Whipp B.J., Wasserman K. Exercise // Textbook of Respiratory Physi-ology. – Philadelphia: W.B. Saunders, 2000: 197–229.

454. Widdicombe J.G. Modes of excitation of respiratory tract receptors // Progress in brain research, 1976, 43(1): 243–252.

455. Williams M.H., Kreider R.B., Branch J.D. Creatine. The Power Sup-plement. – Champaign, IL: Human Kinetics, 1999. – 251 p.

456. Wilmore J.H., Costill D.L. Physiology of Sport and Exercise. – 1999. – 710 p.

457. Wilson D.F., Erecinska M., Drown C. Effect of oxygen tension on cel-lular energetics // Am. J. Physiol., 1977, 233(Cell Physiol., v. 2): 135–140.

458. Wilson D.F., Erecinska M., Drown C. The oxygen dependence of cel-lular energy metabolism // Arch. Biochem. Biophys., 1979, 195(4): 485–493.

459. Wilson D.F., Rumsey W.L., Green T.J. The oxygen dependence of mi-tochondrial oxidative phosphorylation measured by a new optical method for measuring oxygen concentration // J. Biol. Chem., 1988, 263(11): 2712–2718.

460. Wilson R.C., Jones P.W. Influence of prior ventilatory experience on the estimation of breathlessness during exercise // J. Clin. Sci., 1990, 78(1): 149–157.

461. Wilson T.A., Angelillo M., Legrand A. et al. Muscle kinematics for min-imal work of breathing // J. appl. Physiol., 1999, 87(2): 564–570.

462. Wolkow N., Szmatlan-Gabrys U., Gabrys T. Hipoksja w treningu spor-towym. Interwalowy trening hipoksyczny. – Warszawa: AWF w Warszawie, 2003. – 99 p.

463. Wragy S., Agnilina R., Morgan J. Diaphragm fatigue following maxi-mal ventilation in man // Am. Rev. Respir. Dis., 1992, 145(4, pt. 2): A147.

464. Wuyam B., Moosavi S.H., Decety J. et al. Imagination of dynamic exer-cise produced ventilatory responses which were more appared in competitive sportsmen // J. Physiol. (London), 1995, 483(3): 713–724.

465. Yamashiro S.M., Grodins F.S. Consequences of lung volume optimiza-tion on exercise hyperpnea. Modelling and parameter estimation in respira-tory control. – N.Y., 1989: 39–40.

466. Yan S., Bates J.H.T. Breathing responses to small inspiratory thresh-old loads in humans // J. appl. Physiol., 1999, 86(3): 874–880.

467. Yanagida T., Harada Y., Ishijima A. Nano-manipulation of actomyosin molecular motors in vitro: a new working principle // Trends Biochem. Sci., 1993, 18(2): 319–324.

468. Yang Z., Steele P.S. Effects of phosphocreatine on Sr–Ca++ regulation in isolated saponin-permeabilized rat cardiac myocytes // J. Physiol., 2002, 539(6): 767–777.

469. Zoladz J.A., Sargeant A.J., Stoklosa J. et al. Change in acid-base status of marathon runners during incremental field test // Eur. J. appl. Physiol., 1993, 67(1): 71–76.


332

ОГЛАВЛЕНИЕ

Часть I ОСНОВЫ ФИЗИОЛОГИИ ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА ......... 3

Глава 1. Вступительные сведения о легочном дыхании и транспорте газов .................................................................. 5Легочное дыхание и транспорт газов в организме человека. Механика дыхательного акта. Легочные объемы. Паттерны дыхания. Альвеолярная вентиляция и газообмен в легких

Глава 2. Регуляция дыхания ................................................................ 28Центральный дыхательный механизм. Рецепторный аппарат дыхательной системы: центральные (бульбарные) хеморецепторы, артериальные (периферические) хеморецепторы. Реакции дыхания на хеморецептивную стимуляцию (респираторный драйв). Механорецепторы легких и воздухоносных путей. Механорецепторы дыхательных мышц

Глава 3. Дыхательная сенсорика и произвольный контроль дыхания ................................................................... 52О дыхательной сенсорике человека. Восприятие параметровдыхания. Феномен одышки. О произвольном управлении дыханием и его ограничениях

Часть II ДЫХАНИЕ ПРИ МЫШЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ ЧЕЛОВЕКА ............................................................................................... 65

Глава 4. Тканевое дыхание и транспорт газов в организме человека при мышечной деятельности ............................................................................. 67Сопряжение функций внешнего и тканевого дыхания. Биоэнергетика мышечной работы: роль аэробного ресинтеза АТФ.


333

Анаэробные процессы ресинтеза АТФ. Образование и устранение молочной кислоты. Лактатный шунт. Взаимодействие цитозольной и митохондриальной систем в работающих мышцах. Кинетика потребления О2 и выделения СО2 при мышечной работе. Метаболический ацидоз и концепция анаэробного порога при напряженной мышечной деятельности

Глава 5. Динамика и особенности регуляции респираторных функций при мышечной работе ....... 172Фазный характер изменений уровня легочной вентиляции при мышечной работе. Особенности регуляции легочного дыхания в разных фазах респираторной кинетики. Взаимосвязь изменений респираторных функций при мышечной работе. Переходные режимы в динамике респираторных функций при напряженной мышечной деятельности Глава 6. Кислородный запрос и вентиляционная стоимость мышечной работы ................................................................... 202Формирование кислородного запроса при мышечной активности человека. Систематизация различных форм мышечной работы на основе биоэнергетических показателей. Энергетическая стоимость дыхания при мышечной работе. Определение показателей вентиляционной стоимости упражнения. Квантификация физических нагрузок по показателям вентиляционной стоимости упражнения

Глава 7. Паттерны дыхания в критических режимах мышечной деятельности ...................................................... 218Понятие о критических режимах мышечной деятельности. Показатели респираторной активности на уровне порога анаэробного обмена, критической мощности, мощности истощения и максимальной анаэробной мощности. Тесты и критерии для оценки респираторной активности в критических режимах мышечной деятельности

Глава 8. Дыхание и физическая работоспособность человека ...................................................................................... 247Факторы физической работоспособности. Роль респираторных функций как факторов, ограничивающих аэробную и анаэробную работоспособность человека. Комплексная оценка физической работоспособности человека на основе мониторинга респираторной активности в критических режимах мышечной деятельности


334

Глава 9. Роль дыхания в восприятии нагрузки и формировании отказа от продолжения работы ..... 275Дыхательная активность и самооценка нагрузки. Феномен отказа и его лимитация со стороны дыхательной функции

ЗаключениеО путях оптимизации дыхания при мышечной деятельности .............................................................................................. 288

Эпилог ......................................................................................................... 294Основные обозначения и сокращения ........................................... 297Предметный указатель .......................................................................... 299Библиография ........................................................................................... 304


335

Научное издание

БРЕСЛАВ Исаак СоломоновичВОЛКОВ Николай Иванович

ТАМБОВЦЕВА Ритта Викторовна

ДЫХАНИЕ И МЫШЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА В СПОРТЕ

Руководство для изучающих физиологию человека


Редактор-корректор И.В. МушкаринаХудожник Я. Терёшин

Художественный редактор Л.В. ДружининаКомпьютерная верстка С.И. Штойко

Подписано в печать 20.03.13. Формат 60×901/16.Печать офсетная. Бумага офсетная.

Усл. печ. л. 21,0. Уч.-изд. л. 20,6. Тираж 1000 экз. Изд. № 1698. Заказ № 151.

ОАО «Издательство “Советский спорт”».105064, г. Москва, ул. Казакова, 18.

Тел./факс: (499) 267-94-35, 267-95-90.Сайт: www.sovsportizdat.ru

E-mail: [email protected]

ООО «КОНТЕНТ-ПРЕСС»127018, г. Москва, ул. Складочная, д. 1, стр. 18, под. 3, оф. 111.

Тел./факс: (495) 64-888-60, 971-82-90


copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО …в регуляции дыхания...

Documents