А.Г. Кочетков, О.В. Бирюкова, Т.И. Васягина, Н.И. Петрова

Государственная медицинская академия, Нижний Новгород

Общие закономерности адаптации и работоспособность

Особенности современной жизни с ее психоэмоциональными нагрузками, гипокинезией, нерациональным питанием приводят к снижению структурно-функционального резерва организма и, как следствие, к развитию различных заболеваний и преждевременному старению. Известно, что здоровье человека определяется мерой адаптированности к факторам среды. Рассматривать пути повышения качества здоровья возможно только с позиции системных представлений о структуре индивидуальных адаптаций.

Целью исследования является изучение общих закономерностей адаптации организма к двигательным нагрузкам, а также комплексная оценка работоспособности с учетом состояния органов и систем организма.

Материалы и методы. Исследование проведено на 120 животных (собаках), подбор которых в эксперимент проводился по экстерьеру, возрасту (1,5—2,5 года), массе (10—15 кг). Модели эксперимента позволяли изучить реакцию организма и его органов на однократные, многократные и повторяющиеся циклы тренировок (двигательные нагрузки в форме бега на ленте тредмилла со скоростью 15 км/ч). Изучено состояние сердечно-сосудистой, дыхательной, эндокринной систем. Исследования проводились с помощью оригинальных физиологических (определение адаптации — авт. свид. 665888, физической тренировки — авт. свид. 733641, работоспособности — авт. свид. 1266529), клинико-инструментальных, биохимических и морфологических методов. Общие закономерности реакции, выявленные в экспериментах на животных, были апробированы на группе спортсменов-лыжников (50 человек). Материал обрабатывали с применением методов математического анализа и вариационной статистики.

Результаты и обсуждение. В результате проведения исследований установлены закономерности адаптации организма к однократным взаимодействиям (двигательным нагрузкам), которые проявляются в стадийности развития реакций кардиореспираторной системы.

Рис. 1. Стадийность адаптационной реакции по динамике частоты сердечных сокращений (ЧСС) и частоты дыхания (ЧД) при однократной двигательной нагрузке

На рис.1 видно, что первоначальная стадия адаптационной реакции проявляется в рассогласовании системы в ответ на действие фактора и характеризует состояние «новизны фактора» (на графике она обозначена точкой 3а). Продолжение нагрузки приводит к развитию признаков дезинтеграции в деятельности кардиореспираторной системы (на графике точка 3б); уменьшение признаков дезинтеграции означает начало четвертой стадии (точка 4н). Четвертая стадия приводит к формированию этапа завершенного взаимодействия, сутью которого является состояние узнавания сигнала (точка 4к) — состояние интеграции в деятельности кардиореспираторной системы. Окончание этапа интеграции вызывает развитие напряжения и повторной дезинтеграции в деятельности кардиореспираторной системы, которая может привести к гибели организма. Такие взаимодействия являются избыточными и на графике представлены как стадии 5 и 6.

Таким образом, первые три стадии адаптации отражают реакцию организма на незавершенные взаимодействия. Четвертая стадия определяет развитие состояния адаптированности кардиореспираторной системы к действию сигнала и является мерой работоспособности индивида. Диагностика данной стадии позволяет выявить оптимальную величину нагрузки. Оптимальная нагрузка характеризуется стабилизацией параметров сердечно-сосудистой и дыхательной систем на определенном, индивидуальном для каждого организма уровне, при этом длительность удержания стабильного уровня также индивидуальна и определяется структурно-функциональным резервом как сердечно-сосудистой, так и (для 60% случаев) дыхательной системы. Все это позволяет унифицировать величину (дозу) воздействия на организм.

Рис. 2. Индивидуальные особенности динамики ЧСС при нагрузках «до отказа»

На рис. 2 представлены индивидуальные варианты адаптационной реакции при однократной предельной двигательной нагрузке. Одно и то же состояние, например окончание стабилизации (точка 4к), у животного X развивается через 250 мин бега, у XX — через 120 мин и у XXX — на 45-й минуте от начала нагрузки. Приведенный график показывает несостоятельность использования дозирования по времени, поскольку сроки развития адаптационной реакции индивидуальны для каждого животного. Нагрузка, дозируемая по времени, может попадать на разные стадии в деятельности кардиореспираторной системы и может быть как оптимизирующей, так и повреждающей.

Вместе с тем, предельные нагрузки позволяют выявить уровень функционального резерва и работоспособность индивида. В качестве примера рассмотрим протоколы обследования животных с различной работоспособностью.

Высокой работоспособностью обладает собака А, длительность предельной нагрузки которой близка к максимальной — 189 мин. Среднее значение ЧСС за все время бега — 172 удара в минуту, средняя частота дыхания — 342 цикла в минуту. На ЭКГ: ЧСС до и после нагрузки — несколько ниже среднегрупповых значений (соответственно 81 и 154 удара в минуту), электрическая ось сердца отклонена вправо (+78°), систолический показатель и его отклонение от должного до и после нагрузки — в пределах нормы. Зубец RV1-6 — высокий, после бега снижается. Зубец Т до бега — высокий, после бега TV1-3 снижается, TV4,5 растет. Гистологически в миокарде выявлено увеличенное кровенаполнение. В сократительных кардиомиоцитах отмечена гомогенизация крист и лизис внутренних мембран митохондрий при сохранении поперечной исчерченности миофибрилл. Энзимный профиль характеризуется снижением активности реакции на СДГ и НАДН-ДГ, что свидетельствует об уменьшении доли аэробного энергообеспечения.

Низкий уровень функционального резерва кардиореспираторной системы зарегистрирован у собаки В, отказ от бега у которой происходит на 38-й минуте при росте ЧСС до 230 в минуту и падении частоты дыхания до 187 циклов в минуту. На ЭКГ: ЧСС до бега — на уровне средней в группе, после бега превышает средние значения. Электрическая ось сердца до бега отклонена влево, после бега идет сдвиг вправо. Систолический показатель до бега в пределах нормы, после бега превышает должный на 9,6%. Амплитуда зубца R до бега — меньше средних значений, после бега несколько возрастает, кроме отведения V2, где зубец R снижается. Амплитуда зубца Т до бега соответствует средним в группе, после бега возникает синдром ТV1>TV6, растет зубец ТV1,2 при инверсии зубца TV4,5,6. В миокарде желудочков наблюдаются распространенные дистрофические изменения, мелкоочаговые кровоизлияния, явления отека.

Таким образом, по длительности нагрузки «до отказа» и значениям ЧСС животные разделились на группы с высоким, средним и низким уровнем работоспособности и функционального резерва. При изучении щитовидной железы было установлено, что высокому уровню работоспособности соответствуют гипофункциональное состояние тиреоидной паренхимы, низкий уровень транскапиллярного обмена. Среднему и минимальному уровням работы до «отказа» соответствует гиперфункциональное состояние тиреоидной паренхимы с повышенным содержанием С-клеток, небольшим числом тканевых базофилов, широким просветом капилляров.

У длительно бегающих животных в соматических лимфатических узлах выражено перераспределение клеток: в лимфоидном узелке — уменьшение на 66%; в паракортикальной зоне — увеличение на 46%, отмечено увеличение плотности популяции клеток (на 37%) в мякотных тяжах. У животных с небольшим временем бега интенсивность миграционного потока, определяемого по соотношению плотности клеток герминативный центр/ паракортикальная зона, выражена в меньшей степени [1].

Исследование животных при многократных повторениях циклов взаимодействий (4 цикла) выявило этапность адаптационного процесса. В динамике работоспособности при многократных нагрузках, дозируемых по времени окончания стабильного состояния ЧСС и частоты дыхания, проявляется выраженная индивидуальность, однако у всех животных прослежена закономерная этапность изменчивости работоспособности (рис.3).

Рис. 3. Этапность адаптации к многократным нагрузкам по динамике работоспособности при четвертой стадии взаимодействия

Выделено четыре этапа реакции: на I этапе наблюдается рост работоспособности, на II этапе появляется плато с максимальным уровнем адаптации к фактору, затем работоспособность начинает падать (III этап) и, несмотря на оптимальную величину нагрузки, развивается перенапряжение — IV этап адаптационной реакции. В основе падения работоспособности на III этапе лежит явление монотонии, которая отражает «усталость» живой системы, возникающей при многократном взаимодействии даже с оптимальным сигналом. При сигналах такого рода формируется постоянное воздействие на одни и те же элементы системы.

Нами показано, что реакции завершенного взаимодействия способствуют максимально быстрому росту адаптационного резерва, а двигательные нагрузки, формирующие незавершенное взаимодействие, содержат эффект «новизны фактора», который является естественным (эволюционным) регулятором адаптационного процесса, вызывающим сброс монотонии (рис. 4, 5).

Рис. 4. Индивидуальный график этапности адаптации к многократным нагрузкам при четвертой стадии взаимодействия

Рис. 5. Индивидуальный график этапности адаптации к многократным нагрузкам в условиях управления адаптационным процессом

В первом случае (рис.4) эффект монотонии начинает проявляться после 30 нагрузок, когда на фоне адаптированности к данной величине сигнала (период от 20 до 30 нагрузок) формируется пик работоспособности (время бега собаки достигает 300% и более), после которого закономерно происходит ее снижение, несмотря на продолжение тренировок оптимальными нагрузками. У животных в этот период отмечены ухудшение метаболических условий функционирования скелетных мышц, сердца, диафрагмы; обеднение их энергоресурсов, появление в миокарде и скелетных мышцах некротически измененных клеток, очагов склероза и кровоизлияний. В надпочечных железах выявлены гипертрофия мозгового вещества, клубочковой зоны, признаки повреждения кортикоадреноцитов пучковой зоны.

Признаками прохождения оптимального состояния (пика работоспособности) являются уменьшение длительности удержания стабильного состояния и повышение ЧСС в процессе нагрузки.

Формирование первого высокого уровня работоспособности приводит к развитию адаптированности, что отражается на показателях кардиореспираторной системы: наблюдаются уменьшение ЧСС и систолического показателя в состоянии покоя, снижение величины объемного кровотока и интенсивности кровотока до нагрузки, снижаются потребление кислорода и величина дыхательного эквивалента. Возрастает величина кислородного пульса, что отражает экономизацию функции дыхательной системы. Вместе с тем нагрузки на первом пике воспринимаются как большие, о чем свидетельствуют рост систолического показателя после нагрузки и его отклонение от должного. Увеличение кровотока сопровождается ростом показателей систолического, дикротического и диастолического индексов, что отражает начало перенапряжения, преимущественно центральной гемодинамики. Появляются признаки снижения эффективности работы дыхательной системы в виде падения коэффициента использования кислорода после нагрузки.

Во втором случае (рис. 5) явления монотонии снимали нагрузками незавершенного взаимодействия (нагрузки 3а стадии). В этом случае возвращение к нагрузкам завершенного взаимодействия (нагрузки до четвертой стадии) закономерно определяет повторный рост работоспособности (до 1200% от исходного и в три раза — от уровня первого пика). Установлено, что нагрузки, дозируемые индивидуально, по началу стабилизации показателей ЧСС и частоты дыхания (нагрузки до 3а, рис.1) являются эффективным средством снятия напряжения в системе.

Формирование второго пика происходит в более короткие сроки (10 нагрузок) в сравнении с первым пиком (15—18 нагрузок) и обусловливает значительный рост работоспособности: время бега возрастает с 15,8±1,2 до 66,0±4,7 мин. На рис. 5 представлена динамика работоспособности у животного С на втором пике. Возникающие при этом изменения в системе кровообращения характеризуются согласованным взаимодействием центрального и периферического кровообращения: показатели интегральной реограммы тела и реовазограммы до и после бега практически не меняются. Отмечено возвращение значений частоты, глубины, минутного объема дыхания, дыхательного эквивалента и ЧСС к исходному уровню до начала тренировок.

Щитовидная железа собак, находящихся на втором пике работоспособности, имеет признаки умеренного гипофункционального состояния (плоский и кубический фолликулярный эпителий, плотный коллоид). Причем у животных с невыраженным эффектом тренировки транскапиллярный обмен в железе характеризуется увеличением просвета капиллярного русла.

Продолжение тренировок на этом фоне вызывает развитие явлений монотонии, что приводит к истощению адаптационного потенциала с явлениями перетренировки и падению работоспособности. Прерывание цикла путем перехода к нагрузкам до 3а стадии формирует перестройку взаимодействующих элементов, восстанавливает количество значимых связей до исходного уровня. Назначение тренировок в режиме интегрирующих нагрузок до четвертой стадии приводит к приросту работоспособности, но в этом случае повышение работоспособности происходит без явлений перенапряжения и перетренировки. В связи с этим нами сформирован алгоритм тренировок, который не только определяет рост работоспособности организма, но и позволяет удерживать ее в течение длительного времени без повреждений в системах организма.

Таблица 1 Средние значения показателей работоспособности собак в условиях многократных двигательных нагрузок

*— статистически значимые изменения показателей, р<0,05.

Таблица 2 Средние значения ЧСС в условиях многократных двигательных нагрузок

В табл. 1, 2 показаны средние значения показателей работоспособности и ЧСС на протяжении четырех циклов тренировок (до 132 дней). Прирост этих показателей свидетельствует о длительном удержании зоны адаптированности и поддержании адаптационных процессов на высоком уровне.

Отсутствие структурных повреждений в тканях органов на первом, втором, третьем, четвертом пиках работоспособности показали исследования, выполненные в нашем коллективе Ю.Р.Сил­киным и О.В.Бирюковой [2, 3], В.Н. Садовниковым и Ю.С.Жданкиной [4] — на сердце; А.Г. Кочетковым [5], Н.В.Кольтюковой [6] — на надпочечных железах; Н.И.Петровой [7, 8] и А.В. Без­денежных [9] — на щитовидной железе; Л.Г.Никоновой [10] — на поджелудочной железе; В.Е.Савельевым [1] — на соматических лимфатических узлах; М.Ю.Самариным [8, 11] — на аденогипофизе; Е.Р.Эрастовым [12] — на двигательных зонах спинного и головного мозга.

Выявленные в эксперименте на животных закономерности адаптации к однократным и многократным взаимодействиям были подтверждены при обследовании спортсменов, тренирующихся на выносливость. В результате исследований была разработана программа повышения устойчивости организма к факторам среды, которая не имеет аналогов в мире и основана на авторских свидетельствах и патентах РФ на изобретения. Комплекс мероприятий по повышению структурно-функционального резерва организма предусматривает:

оценку функционального резерва с градацией на высокий, средний и сниженный уровни;

разработку режима тренировки, включающего определение мощности тренирующей нагрузки;

определение величины тренирующей нагрузки;

распределение тренирующих нагрузок в цикле тренировок с повторной оценкой уровня функционального резерва по окончании цикла тренировки.

Применение программы повышения работоспособности позволяет повысить функциональный резерв и работоспособность не менее чем в два раза от исходного уровня.

Заключение. Таким образом, комплексное исследование на животных с применением физиологических, биохимических и морфологических методов позволило выявить закономерности адаптации организма к двигательным нагрузкам, которые проявляются в стадийности развития реакции системы при однократных нагрузках и этапности адаптационного процесса при многократных повторениях циклов взаимодействий (4 цикла). Индивидуальные и типологические особенности реакции органов и систем связаны с функциональным резервом и определяют уровень работоспособности. На основе выявленных закономерностей адаптации разработана программа повышения устойчивости организма к факторам среды.

Литература

1. Бирюкова О.В. и Савельев В.Е. Индивидуально-типологические особенности строения лимфатического узла в зависимости от работоспособности и функционального резерва. Морфология 2000; 5: 40—42.
2. Силкин Ю.Р., Кочетков А.Г., Бирюкова О.В. и др. Системная организация сердца при адаптации организма к двигательным нагрузкам. Морфология 1999; 4: 22—26.
3. Кочетков А.Г., Бирюкова О.В., Усов А.И. Формирование и удержание высокого уровня работоспособности в эксперименте. В кн.: Медико-биологические проблемы физической культуры и спорта. Материалы Всерос. науч.-практ. конф. СПб; 2002; с.24—28.
4. Садовников В.Н., Жданкина Ю.С. Дифференцированность приспособительной реакции терминального сосудистого русла стенки правого желудочка сердца при многократной двигательной активности организма. В кн.: Медико-биологические проблемы физической культуры и спорта. Материалы Всерос. науч.-практ. конф. СПб; 2002; с.52—55.
5. Кочетков А.Г. Морфофункциональные эквиваленты реакции аденогипофиза и надпочечников при адаптации организма к двигательной нагрузке. Дис. …докт. мед. наук. М; 1981.
6. Кольтюкова Н.В. Морфологические изменения надпочечника при адаптации к многократным индивидуально дозированным физическим нагрузкам. Морфология 1997; 2: 79—86.
7. Петрова Н.И. Признаки срочной и долговременной адаптации щитовидной железы у собак к физической нагрузке. В кн.: Аспекты адаптации. Сб. науч.тр. Горький, 1988; с.118—124.
8. Kochetcow A.G., Stelnicowa I.G., Samarin M.Y., Petrowa N.I. Morphofunctional foundations of endocrine function perfection in training process. In: Acta et commentationes universitatis tartuensis. Tart; 1994; 967: 18—27.
9. Безденежных А.В. Исследование очаговой активности щитовидной железы при физических нагрузках на основе измерения высоты фолликулярного эпителия. В кн.: Аспекты адаптации. Сб. науч.тр. Нижний Новгород; 2001; с.141—151.
10. Никонова Л.Г. Морфологическая характеристика поджелудочной железы собаки при систематических физических нагрузках. Дис. … канд. мед. наук. М; 2000.
11. Самарин М.Ю. Стромально-паренхимные взаимоотношения в дистальной части аденогипофиза. Дис. … докт. мед. наук. М; 2000.
12. Кочетков А.Г. Бирюкова О.В., Эрастов Е.Р. Структурно-функциональная характеристика клеточных элементов моторной коры при формировании третьего «пика» работоспособности. Нижегород мед журнал 2002; 2: 16—20.