4.2.2. Обмен энергии. Энергозатраты

Обмен веществ между организмом и внешней средой сопровождается обменом энергии. Важнейшей физиологической константой организма человека является то минимальное количество энергии, которое человек расходует в состоянии полного покоя. Эта константа называется основным обменом. Величина его зависит от массы тела: чем она больше, тем больше обмен, но эта зависимость не прямолинейна.

Потребность организма в энергии оценивается в килокалориях. Естественно, эта потребность зависит от целого ряда факторов: уровня основного обмена, интенсивности выполняемой работы и др. Соотношение количества энергии, поступившей в организм с пищей и израсходованной, называется энергетическим балансом, и находится он в тесной зависимости от характера жизнедеятельности.

Энергетический баланс в жизни современного человека очень часто существенно нарушается. В экономически развитых странах за последние

100–150 лет удельный вес мышечной работы как генератора энергии, используемой человеком, сократился почти в 200 раз, что привело к снижению энергозатрат на мышечную деятельность. Дефицит энергозатрат, необходимых для нормальной жизнедеятельности организма у городского населения, составляет около 500–750 ккал в сутки. Так, если минимальная величина суточных энергозатрат в нор­ме составляет 2950–3850 ккал (конечно, в зависимости от возраста, пола и массы тела), то из них на мышечную деятельность должно расходоваться не менее 1200–1900 ккал. Остальные энергозатраты обеспечивают поддержание жизнедеятельности организма в состоянии покоя, нормальную деятельность систем дыхания и кровообращения, обменные процессы и т.д. (энергия основного обмена).

Расход энергии тесно связан с особенностями различных физических упражнений. Как известно, значительная группа разнообразных спортивных дисциплин носит циклический характер, т.е. с повторяющейся биомеханической последовательностью выполнения (бег, плавание и т.п.). В то же время существует большая группа видов спорта и отдельных упражнений, особенностью которых является нестандартность исполнения, – ациклические упражнения. Это различные единоборства, спортивные игры, гимнастика и т.д. Подобное много­образие характера движений не всегда позволяет точно определить их мощность (в кг/м) и соответственно расход энергии. Это легче выявить в циклических видах и сложнее в ациклических упражнениях.

При физических нагрузках циклического характера для определения особенностей расхода энергии спортивные физиологи ориентируются на зоны относительной мощности выполнения отдельных упражнений, приведенные в табл.7. Физиологические особенности выработки и расхода энергии организмом связаны с биохимическими процессами на уровне клетки. От этих процессов зависит методика подбора и применения отдельных тренировочных упражнений, характер их выполнения на учебно-тренировочных занятиях, содержание разминки на соревнованиях и т.д.

Ключевыми понятиями в энергообеспечении мышечной деятельности являются анаэробный (бескислородный) и аэробный (кислородный) процессы выработки энергии в клетках нашего организма и расхода этой энергии в отдельных физических упражнениях.

Анаэробный процесс. Непосредственным источником энергии в клетках при мышечном сокращении служит аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). В результате биохимических превращений трех типов – фосфогенного, лактатного и окислительного – высвобождается энергия, необходимая для сокращения мышц. Фосфогенный (без участия кислорода) включается первым и разряжается очень быстро – за 5–10 с на 90– 95%. Лактацидный источник энергии включается за фосфогенным и примерно втрое слабее его. Зато емкость этого источника бескислородного обмена в организме вдвое больше, и запас его исчерпывается только к концу 2-й минуты непрерывной работы.

По мере расходования лактацидного источника в мышцах и крови накапливаются продукты распада – молочная кислота (лактат). Для её ликвидации и восстановления АТФ требуется кислород, но его практически нет, и образуется кислородный долг. Величина макси­мально возможного кислородного долга характеризует анаэробную производительность организма. У незанимающихся спортом она колеблется от 4 до 10 л, а у спортсменов – от 15 до 22 л. Чем выше кон­центрация лактата, тем сильнее ощущается утомление, преодоление которого требует волевого усилия. Физически тренированные люди могут проявлять это усилие в большем диапазоне, так как они выработали на тренировках большую способность к перенесению высокой концентрации лактата и преодолению связанных с нею сдвигов в кислотно-щелочном равновесии в организме.

Аэробный (окислительный) процесс происходит параллельно. Но в связи с тем, что на первых двух минутах напряженной физической работы усиление дыхательной, сердечной деятельности и общего кровотока осуществляется с некоторым запозданием, этот процесс проявляется незначительно. Только к концу 3-й минуты он приближается к максимальному уровню потребления кислорода (МПК) данного человека. Все эти процессы анаэробного и аэробного обмена имеют свое яркое проявление при характеристике упражнений, относящихся к различным относительным зонам мощности: максимальной, субмаксимальной, большой и умеренной (табл.7).

Таблица 7

Зоны относительной мощности в спортивных упражнениях

(по B.C. Фарфелю, Б.С. Гиппенрейтеру)

Степень мощности	Продолжительность работы	Виды физических упражнений при рекордном выполнении
Максимальная	От 20 до 25 с	Бег 100 и 200 м. Плавание 50 м. Велогонка 200 м с хода
Субмаксимальная (ниже максимальной)	От 25 с до 3-5 мин	Бег 400, 800, 1000, 1500 м. Плавание 100, 200,400 м. Бег на коньках 500, 400, 1500, 3000 м. Велогонки 300, 1000, 2000, 3000 и 4000 м
Большая	От 3-5 до 30 мин	Бег 2, 3, 5, 10 км. Плавание 800, 1500 м. Бег на коньках 5, 10 км. Велогонки 5000, 10 000, 20 000 м
Умеренная	Свыше 30 мин	Бег 15 км и больше. Спортивная ходьба 10 км и больше. Бег на лыжах 10 км и больше. Велогонки 100 км и больше

Эти четыре зоны относительной мощности предполагают деление множества различных дистанций на четыре группы: короткие, средние, длинные и сверхдлинные. Мощность работы прямо зависит от ее интенсивности, а высвобождение и расход энергии при преодолении дистанций, входящих в различные зоны мощности, имеют существенно отличающиеся физиологические характеристики (табл.8).

Зона максимальной мощности. В ее пределах выполняется работа, требующая предельно быстрых движений. Ни при какой другой работе не освобождается столько энергии в единицу времени, сколько при работе с максимальной мощностью. Работа мышц совершается почти полностью за счет бескислородного (анаэробного) распада веществ. Практически весь кислородный запрос (долг) организма удовлетворяется уже после работы. Дыхание ограничено — спортсмен либо не дышит, либо делает несколько коротких вдохов. Из-за кратковременности работы кровообращение не успевает усилиться, частота же сердечных сокращений значительно возрастает к концу работы. Однако минутный объем крови увеличивается ненамного, потому что не успевает вырасти систолический объем крови в сердце. Зона субмаксимальной мощности. В мышцах протекают не только анаэробные процессы, но и процессы аэробного окисления, доля которого увеличивается к концу работы из-за постепенного усиления кровообращения. Интенсивность дыхания также возрастает до самого конца работы. Все время прогрессирует кислородная задолженность. Кислородный долг к концу работы становится даже больше, чем при максимальной мощности. В крови происходят большие химические сдвиги.

Зона большой мощности. Возможности аэробного окисления более высоки, однако они все же несколько отстают от анаэробных процессов, поэтому накопление кислородного долга все же происходит. К концу работы он бывает значителен. Большие сдвиги наблюдаются в химическом составе крови и мочи.

Зона умеренной мощности. Это уже сверхдлинные дистанции. Работа умеренной мощности характеризуется устойчивым состоянием, с чем связаны усиление дыхания и кровообращения пропорционально интенсивности работы и отсутствие накопления продуктов анаэробного распада. При многочасовой работе наблюдается значительный общий расход энергии, что уменьшает углеводные ресурсы организма.

Таблица 8

Физиологическая характеристика работы в зонах различной мощности

(по B.C. Фарфелю)

Показатель	Зоны относительной мощности работы
	максимальная	субмаксимальная	большая	Умеренная
Предельная длительность	До 25 с	От 25 с до 3 - 5 мин	От 3 – 5 до 30 мин	Свыше 30 мин
Величина потребления кислорода	Незначительная	Возрастает к максимальной	Максимальная	Пропорциональна мощности
Величина кислородного долга	Почти субмаксимальная	Субмаксимальная	Максимальная	Пропорциональна мощности
Вентиляция легких и кровообращение	Незначительная	Субмаксимальная	Максимальная	Пропорциональна мощности
Биохимические сдвиги	Субмаксимальные	Максимальные	Максимальные	Незначительные

Таким образом, при тренировке на коротких, средних, длинных и сверхдлинных дистанциях и подобных упражнениях должны подбираться такие отрезки (упражнения) и такая интенсивность их преодоления, которые тренировали бы соответствующие этим дистанциям физиологические механизмы энергетического обмена, физиологически и психологически готовили бы тренирующегося к преодолению тех трудностей и неприятных ощущений, с которыми связано возможно более быстрое (качественное) выполнение конкретных упражнений.

Общее представление о расходе энергии при различных видах физических упражнений показано в табл. 9.

В заключение необходимо отметить, что не вся энергия, расходуемая человеком при совершении механической работы, используется непосредственно на эту работу, ибо большая часть энергии теряется в виде тепла. Известно, что отношение энергии, полезно затраченной на работу, ко всей израсходованной энергии называется коэффициентом полезного действия (КПД). Считается, что наибольший КПД человека при привычной для него работе не превышает

0,30 – 0,35. Следовательно, общие энергетические затраты организма минимум в 3 раза превышают затраты на совершение работы. Чаще же КПД равен

0,20 – 0,25, так как нетренированный человек тратит на одну и ту же работу больше энергии, чем тренированный. Так, эксперименталь­но установлено, что при одной и той же скорости передвижения разница в расходе энергии между тренированным спортсменом и новичком может достигать 25 – 30%. Это подчеркивает экономизацию двигательной деятельности у тренированного человека.

Таблица 9

Примерный расход энергии при различных видах физических упражнений (по А.Я. Иващенко, И.П. Страпко)

Физические упражнения	Скорость, км/ч	Расход энергии, ккал
Ходьба	3,0 - 4,0 5,0 - 6,0	200 - 240 300 - 350
Бег	6,0 - 6,5 9,0 - 10,0 11,0 - 13,0	480 - 500 600 - 650 800 - 1000
Бег на лыжах	7,0 - 8,0 9,0 - 10,0 10,0 - 15,0	450 - 500 600 - 700 700 - 1100
Волейбол	-	250 - 300
Баскетбол	-	550 - 600
Футбол	-	450 - 500
Теннис	-	400 - 450
Утренняя гимнастика	-	40 - 50
Комплексное занятие по физической культуре, 9 мин	-	450 - 500