Глава 2. Биологические основы физической культуры

Организм человека как единая биологическая система

Естественно-научными основами физической культуры при органи­зации процесса физического воспитания человека в обществе является комплекс медико-биологических наук, таких, как анатомия, физиология, биология, биохимия, гигиена и др.

При изучении органов и морфофункциональных систем организма человека исходят из принципа целостности и единства организма с внешней природной и социальной средой. Деятельность всех органов человеческого организма тесно связана между собой и является слажен­ной, единой саморегулирующейся и саморазвивающейся биологической системой, функциональная деятельность которой обусловливается взаи­модействием психических, двигательных и вегетативных реакций на различные воздействия окружающей среды. Эти воздействия могут быть как полезными, так и пагубными для здоровья. Отличительная особен­ность человека как социального существа - возможность сознательно и активно влиять как на внешние природные, так и на социально-бытовые условия, во многом определяющие состояние здоровья людей, их рабо­тоспособность, продолжительность жизни и рождаемость.

Без знания строения человеческого тела, закономерностей деятельно­сти отдельных органов и функциональных систем организма, особенно­стей протекания сложных процессов его жизнедеятельности невозможно должным образом организовать процесс формирования здорового образа жизни и физической подготовки.

Человеческий организм – сложная биологическая система, в которой непрерывно идет обмен веществ и энергии. Он обладает способностью к росту, размножению и активному передвижению в пространстве. Все его органы связаны между собой и взаимодействуют благодаря нервной, кровеносной, лимфатической системам. Нарушение деятельности одного из органов приводит к нарушению деятельности других органов, т.е. представляет собой неразрывное целое, существующее в определенных, постоянно изменяющихся условиях окружающей среды.

Огромное количество клеток, каждая из которых выполняет только свои, ей присущие функции в общей структурнофункциональной сис­теме организма, снабжается питательными веществами и необходимым количеством кислорода для осуществления жизненно необходимых про­цессов энергообразования, выведения продуктов распада, обеспечения различных биохимических реакций жизнедеятельности и т. д., посредством регуляторных механизмов, осуществляющих свою деятельность через нервную, кровеносную, дыхательную, эндокринную и другие системы организма [16].

Обмен веществ и энергии

Обмен веществ и энергии в организме человека характеризуется сложными биохимическими реакциями. Питательные вещества (белки, жиры, углеводы), поступающие во внутреннюю среду организма с пи­щей, расщепляются в органах пищеварения. Продукты расщепления пе­реносятся кровью к клеткам и усваиваются ими. Кислород, проникаю­щий из воздуха через легкие в кровь, принимает участие в процессах окисления, происходящих в клетках. Продукты распада, образующиеся в результате биохимических реакций обмена веществ (двуокись углерода, вода, мочевина и др.) удаляются из организма через легкие, почки, кожу.

Обмен веществ является источником энергии для всех жизненных процессов и функций организма. При расщеплении сложных органиче­ских веществ содержащаяся в них потенциальная химическая энергия превращается в другие виды энергии (биоэлектрическую, механическую, тепловую и др.). Обмен веществ и энергии осуществляется с помощью двух противоположных процессов: ассимиляции и диссимиляции.

Ассимиляция – это образование в клетках организма свойственных ему веществ из других, которые поступают из внешней среды. При ас­симиляции организм не только усваивает органические соединения, но и накапливает находящуюся в них энергию.

Диссимиляция – это окисление и распад органических соединений в клетках организма, при котором происходит образование и превращение энергии, перенос ее к участкам клеток, где она расходуется. Диссимиля­ция обусловливает различные виды деятельности органов и систем орга­низма, в том числе и процесс ассимиляции.

Процессы ассимиляции и диссимиляции неотъемлемы друг от друга и определяют рост, развитие и все другие проявления жизнедеятельности организма.

Интенсивность протекания процессов обмена веществ в организме человека очень велика. Каждую секунду разрушается огромное количе­ство молекул различных веществ, и одновременно образуются новые вещества, необходимые организму. За три месяца половина всех тканей тела человека обновляется.

В процессе жизнедеятельности, с одной стороны, человек с пищей получает энергию, с другой, тратит ее на работу внутренних органов, поддержание постоянной температуры тела, на умственную и физиче­скую работу.

Энергетический баланс – равенство между количеством энергии, получаемым организмом с пищей, и величиной энергетических затрат организма в сутки. Для сохранения энергетического баланса, поддержа­ния нормальной массы тела, обеспечения высокой умственной и физиче­ской работоспособности и профилактики заболеваний необходимо при достаточном и полноценном питании увеличить расход энергии за счет повышения двигательной активности, например, с помощью регулярных занятий физическими упражнениями.

Опорно-двигательный аппарат

Опорно-двигательный аппарат состоит из костей, связок, мышц, мы­шечных сухожилий. Большинство сочленяющихся костей, соеди3няю­щихся между собой связками и мышечными сухожилиями, образуют суставы (конечности, позвоночник и др.), которые обеспечивают движе­ния. Потеря двигательной активности мышц, окружающих кости, приво­дит к нарушению обмена веществ в костной ткани, к ослаблению их прочности, нарушается осанка, становятся узкими плечи, впалой грудь и т. д., что вредно отражается и на внутренних органах.

У людей с ограниченной двигательной активностью, сочетающейся при некоторых формах труда с необходимостью длительно поддержи­вать определенную позу, возникают значительные изменения костной и хрящевой ткани, что особенно неблагоприятно отражается на состоянии позвоночного столба и межпозвоночных дисков.

Главная функция суставов – осуществление движения. Вместе с этим, они играют роль демпферов, своеобразных тормозов, гасящих инерцию движения и позволяющих производить мгновенную остановку после бы­строго движения и прыжков.

Суставы при систематических занятиях физическими упражнениями и спортом развиваются, повышается эла­стичность их связок и мышечных сухожилий, увеличивается гибкость

Отсутствие достаточной ежедневной двигательной активности приводит к разрыхлению суставного хряща и изменению суставных поверхностей сочленяющихся костей, к появлению болевых ощущений, созданию условий для образования в них воспалительных процессов и к другим не­желательным изменениям.

Мышечная система обеспечивает движения человека, вертикальное положение тела, фиксацию внутренних органов в определенном поло­жении, дыхательные движения, усиление кровообращения и лимфооб­ращения (мышечный насос), теплорегуляцию организма. Движения иг­рают существенную роль во взаимодействии человека с внешней средой. У человека насчитывается более 600 мышц. Они составляют у мужчин 35...40 % массы тела, у женщин – несколько меньше, у спортсменов – 50 % и более. Механическая деятельность мышц происходит в результате способности мышечных волокон переходить в состояние возбуждения, т. е. в деятельное состояние, под влиянием биотоков, идущих к мышцам по нервным волокнам. Возбуждение мышечных волокон представляет собой сложную систему энергетических, химических, структурных и иных изменений в клетках, обеспечивающих специфическую работу ткани. Работа мышц осуществляется за счет их напряжения или сокра­щения. Напряжение происходит без изменений длины (статическая ра­бота) мышц, сокращение – с уменьшением их длины (динамическая ра­бота). Чаще всего мышцы работают в смешанном (ауксотоническом) режиме, одновременно напрягаясь и сокращаясь по длине.

Занятия физическими упражнениями и спортом увеличивают проч­ность костной ткани, способствуют более крепкому присоединению к костям мышечных сухожилий, укрепляют позвоночник и ликвидируют в нем нежелательные искривления, способствуют расширению грудной клетки и выработке хорошей осанки.

Систематическая физическая тренировка увеличивает силу мышц за счет увеличения количества мышечных волокон и их поперечного сече­ния, эластичности, а также совершенствования их координации в работе отдельных мышечных волокон.

Сердечно-сосудистая система

Кровеносная система состоит из сердца и кровеносных сосудов.

Сердце – главный орган кровеносной системы представляет собой пол­ный мышечный орган, совершающий ритмические сокращения, благо­даря которым происходит процесс кровообращения в организме. Серд­це – автономное, автоматическое устройство. Однако его работа коррек­тируется многочисленными прямыми и обратными связями, поступаю­щими от различных органов и систем организма. Сердце связано с центральной нервной системой, которая оказывает на его работу регули­рующее воздействие.

Деятельность сердца заключается в ритмичной смене сердечных цик­лов, состоящих из трех фаз: сокращения предсердий, сокращения желу­дочков и общего расслабления сердца.

Важным показателем работы сердца является количество крови, вы­талкиваемое одним желудочком сердца в сосудистое русло при одном сокращении. Этот показатель называется систолическим объемом крови (систола – сокращение). Систолический объем (мл) в покое равен: у не­тренированных – 60, у тренированных – 80; при интенсивной мышечной работе: у нетренированных 100-130, у тренированных – 180-200 мл.

Вторым важным показателем является минутный объем крови, т.е. количество крови, выбрасываемое одним желудочком сердца в течение одной минуты. В состоянии покоя минутный объем крови составляет в среднем 4-6 л. При интенсивной мышечной деятельности он повыша­ется до 18-20, у тренированных людей до 30-40 л.

Пульс – волна колебаний, распространяемая по эластичным стенкам артерий в результате гидродинамического удара порции крови, выбра­сываемой в аорту под большим давлением при сокращении левого желу­дочка. Частота пульса соответствует частоте сокращений сердца. Часто­та пульса в покое (утром, лежа, натощак) оказывается ниже из-за увели­чения мощности каждого сокращения. Урежение частоты пульса увели­чивает абсолютное время паузы для отдыха сердца и для протекания процессов восстановления в сердечной мышце. В покое пульс здорового человека равен 60-70 удар/мин.

Кровяное давление создается силой сокращения желудочков сердца и упругостью стенок сосудов. Оно измеряется в плечевой артерии (или систолическое) давление, которое создается во время сокращения левого желудочка (систолы), и минимальное (или диастолическое) давление, которое отмечается во время расслабления левого желудочка (диасто­лы). Давление поддерживается за счет упругости стенок растянутой аор­ты и других крупных артерий. В норме у здорового человека в возрасте 18-40 лет в покое кровяное давление равно 120/70 мм рт. ст. (120 мм систолическоое давление, 70 мм - диастолическое). Наибольшая вели чина кровяного давления наблюдается в аорте. По мере удаления от сердца кровяное давление оказывается все ниже. Самое низкое давление наблюдается в венах при впадении их в правое предсердие. Постоянная разность давления обеспечивает непрерывный ток крови по кровенос­ным сосудам (в сторону пониженного давления).

Кровь в организме под воздействием работы сердца находится в постоянном движении, которое называется кровообращением. Оно осуществляется по обширной сети кровеносных сосудов: отходящая от сердца аорта переходит в артерии, артериолы и заканчивается мельчайшими капиллярами, через которые кислород и питательные вещества попадают в ткани. По венам кровь возвращается в сердце под воздействием разности давлений в артериях и венах, которое обеспечивает непрерывный ток крови по кровеносным сосудам.

Артерии – кровеносные сосуды, по которым кровь движется от сердца, имеют плотные упругие мышечные стенки. Самые мелкие артерии разветвляются на микроскопические сосуды – капилляры, пронизывающие весь организм. Их толщина в 10-15 раз тоньше человеческого волоса, и они охватывают все ткани тела. Капилляры имеют тонкие полупроницаемые стенки, через которые во всех тканях организма осуществляется обмен веществ. В состоянии покоя или малой двигательной активности значительная часть капилляров не участвует в кровообращении. Из капилляров кровь переходит в вены – сосуды, по которым она движется к сердцу. Вены имеют тонкие и мягкие стенки и клапаны (в магистральных венах конечностей туловища), которые пропускают кровь, только в сторону сердца.

Движению крови по сосудам способствует деятельность окружающих их мышц («мышечный насос»). Сокращаясь и расслабляясь, мышцы то сдавливают сосуды, то дают им расправиться и тем самым проталкивают кровь по направлению от сердца (в артериях) и к сердцу (в венах), так как движению крови в противоположную от сердца сторону препятствуют клапаны, имеющиеся в венозных сосудах). Чем чаще и полнее сокращаются и расслабляются мышцы, тем большую помощь оказывает «мышечный насос». Особенно эффективно он работает при ходьбе, беге, беге на лыжах, на коньках, при плавании и т.п. «Мышечный насос» способствует более быстрому отдыху сердца после интенсивной физической нагрузки [16].

Напряженная умственная работа, несбалансированная физической деятельностью, малоподвижный образ жизни, особенно при высоких нервно-эмоциональных напряжениях, вредные привычки (курение, по­требление алкоголя) вызывают ухудшение питания стенок артерий, по­терю их эластичности, что может привесим к стойкому повышению в них кровяного давления и, в конечном итоге, к заболеванию, называе­мому гипертонией [16].

Поэтому для сохранения здоровья и работоспособности необходимо активизировать кровообращение с помощью физических упражнений, в том числе и в режиме учебного дня студента (физкультминутки, физкультпаузы). А если говорить в целом о пользе физической культуры, то занятия физическими упражнениями оказывают следующие положи­тельные воздействия на сердечно-сосудистую системы:

а) увеличивается масса сердечной мышцы и улучшаются ее сократи­тельные функции;

б) частота сердечных сокращений в покое уменьшается на 10-20 уда­ров в минуту, за счет этого увеличивается пауза отдыха;

в) возрастает производительность сердца как при одиночном сокра­щении так и при работе за одну минуту;

г) нормализуется кровяное давление (высокое понижается, низкое – повышается);

д) в крови повышается содержание гемоглобина;

е) снижается пагубное влияние застойных явлений крови в брюшной полости и в мышцах;

ж) повышается эластичность кровеносных сосудов и снижается их тонус.

Дыхательная система

Дыхательную систему человеческого организма составляют:

– воздухоносные пути: носовая полость, трахея, бронхи, которые вет­вятся на более мелкие бронхиолы, заканчивающиеся альвеолами (легоч­ными пузырьками). Стенки альвеол густо переплетены сетью капилляр­ных кровеносных сосудов, через стенки которых происходит насыщение крови кислородом и удаление из нее углекислого газа.

Показателями работоспособности органов дыхания являются: дыха­тельный объем, частота дыхания, жизненная емкость легких, легочная вентиляция, кислородный запрос, потребление кислорода, кислородный долг и др.

Дыхательный объем – количество воздуха, проходящее через легкие при одном дыхательном цикле (вдох, выдох, дыхательная пауза). Вели­чина дыхательного объема находится в прямой зависимости от степени тренированности к физическим нагрузкам и колеблется в состоянии по­коя от 350 до 800 мл. У нетренированных людей дыхательный объем находится на уровне 350-500, у тренированных - 800 мл и более.

При интенсивной физической работе дыхательный объем может уве­личиваться до 2500 мл.

Частота дыхания – количество дыхательных циклов в 1 мин. Сред­няя частота дыхания у нетренированных людей в покое 16-20 циклов в 1 мин, у тренированных, за счет увеличения дыхательного объема, час­тота дыхания снижается до 8-12 циклов в 1 мин. У женщин частота дыхания на 1-2 цикла больше.

При спортивной деятельности частота дыхания у лыжников и бегунов увеличивается до 20-28 циклов в 1 мин, у пловцов – 36-45; наблюда­лись случаи увеличения частоты дыхания до 75 циклов в
1 мин.

Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) – максимальное количество воз­духа, которое может выдохнуть человек после полного вдоха (измеряет­ся методом спирометрии).

Средние величины ЖЕЛ: у нетренированных мужчин – 3500, жен­щин – 3000 мл; у тренированных мужчин – 4700, женщин – 3500 мл. При занятии циклическими видами спорта на выносливость (гребля, плава­ние, лыжные гонки и т. п.) ЖЕЛ может достигать у мужчин 7000 и боле у женщин 5000 мл и более.

Легочная вентиляция – объем воздуха, который проходит через лег­кие за 1 мин. Легочная вентиляция определяется путем умножения вели­чины дыхательного объема на частоту дыхания. Легочная вентиляция в покое находится на уровне 5000-9000 мл (5-9 л). При физической ра­боте этот объем достигает 50 л.

Дыхательная система – единственная внутренняя система, которой человек может управлять произвольно. Поэтому можно дать следующие рекомендации:

а) дыхание необходимо осуществлять через нос, и только в случаях интенсивной физической работы допускается дыхание одновременно через нос и узкую щель рта, образованную языком и небом. При таком дыхании воздух очищается от пыли, увлажняется и согревается, прежде чем поступить в полость легких, что способствует повышению эффек­тивности дыхания и сохранению дыхательных путей здоровыми;

б) при выполнении физических упражнений необходимо регулиро­вать дыхание:

– во всех случаях выпрямления тела делать вдох;

– при сгибании тела делать выдох;

– при циклических движениях ритм дыхания приспосабливать к рит­му движения с акцентом на выдохе. Например, при беге делать на 4 шага вдох, на 5-6 шагов выдох или 3 шага вдох и на 4-5 шагов выдох и т. д.;

– избегать частых задержек дыхания и натуживания, что приводит к застою венозной крови в периферических сосудах.

Наиболее эффективно функцию дыхания развивают физические цик­лические упражнения с включением в работу большого количества мы­шечных групп в условиях чистого воздуха (плавание, гребля, лыжный спорт, бег и др.).

Систематические занятия физическими упражнениями не только раз­вивают функциональные способности органов внешнего дыхания, но улучшают функцию всех участков пути, по которому следует кислород.

Занятия физическими упражнениями и спортом укрепляют дыхательную мускулатуру и способствуют увеличению объема и подвижности груд­ной клетки. Частота дыхания снижается до 10-12 циклов в минуту за счет увеличения глубины дыхания.

Дыхательный объем за счет этого увеличивается, а легочная вентиляция в покое остается на прежнем уровне. Таким образом, происходит экономизация внешнего дыхания. Оздоровительная тренировка существенно повышает жизненную ем­кость легких примерно на 800-1000 мл. Значительно увеличивается та­кой жизненно важный показатель как максимальное потребление кисло­рода, особенно у занимающихся циклическими видами спорта (бег ходьба на лыжах, плавание и др.). Он достигает 45-50 мл/мин на 1 кг ве­са. Таким образом, положительный эффект занятий физическими уп­ражнениями связан с увеличением возможностей внешнего дыхания и повышением аэробных возможностей организма.