Физиология марафонов - Physiology of marathons

В физиология марафонов обычно связаны с высокими требованиями к марафон бегун сердечно-сосудистая система и их двигательная система. Марафон был задуман много веков назад и в последнее время набирает популярность среди многих народов по всему миру. Расстояние 42,195 км (26,2 мили) - это физическая проблема, которая влечет за собой отличительные особенности энергии человека. метаболизм. Марафонцы финишируют в разное время из-за индивидуальных физиологический характеристики.

Взаимодействие между различными энергетическими системами отражает суть того, почему существуют определенные физиологические характеристики марафонцев. Разные эффективность Некоторые физиологические особенности марафонцев свидетельствуют о различии времени финиша среди элитных марафонцев, имеющих сходство по многим физиологическим характеристикам. Помимо больших аэробных возможностей и других биохимических механизмов, внешние факторы, такие как окружающая среда и собственно питание марафонца может помочь понять, почему результаты марафонского бега изменчивы, несмотря на идеальные физиологические характеристики, полученные бегуном.

Краткая история марафонского бега

Согласно легенде, первый марафон был пробегом на 25 миль. Фидиппид, греческий солдат, сбежавший Афины из города Марафон, Греция сообщить весть о победе в битве над персами в 490 г. до н. э. Согласно рассказу, он упал замертво от истощения вскоре после прибытия в Афины.[1] Тысячи лет спустя марафонский бег стал частью мирового спорта, начиная с первого марафона в 1896 году. Современные Олимпийские игры. Примерно через 40 лет преодоления различных дистанций маршрут длиной 42,195 км (26,2 мили) стал стандартом. Количество марафонов в Соединенные Штаты выросла за этот период более чем в 45 раз.[2] С ростом популярности научная область имеет большую основу для анализа некоторых физиологических характеристик и факторов, влияющих на эти черты, которые привели к Фидиппид ' смерть. Высокие физические и биохимические требования к марафонскому бегу и различия во времени финиша создают сложную область исследования, в которой переплетаются многие аспекты человеческих способностей.

Энергетические пути во время тренировки

Люди перерабатывают пищу для синтеза энергии в виде Аденозинтрифосфат (АТФ). Это мгновенно доступная форма энергии человеческого тела для всех функций клетки внутри тела.[3] Для физических упражнений человеческое тело предъявляет высокие требования к АТФ снабдить себя энергией, достаточной для поддержки всех соответствующих изменений в теле во время работы. В упражнениях задействованы 3 энергетические системы: фосфогенный, анаэробный и аэробный энергетические пути.[4] Одновременное действие этих трех энергетических путей отдает приоритет одному конкретному пути по сравнению с другими в зависимости от типа упражнений, в которых участвует человек. Эта дифференцированная приоритезация основывается на продолжительности и интенсивности конкретного упражнения. Вариативное использование этих энергетических путей играет центральную роль в механизмах, поддерживающих длительные и продолжительные упражнения, такие как марафон.

Фосфогенный

Фосфогенный (АТФ-ПК) анаэробный энергетический путь восстанавливает АТФ после его пробоя через Креатинфосфат хранится в скелетных мышцах. Этот путь является анаэробным, потому что не требует кислорода для синтеза или использования АТФ. Восстановление АТФ длится примерно первые 30 секунд тренировки.[3] Такая высокая скорость производства АТФ важна в начале тренировки. Количество креатинфосфата и АТФ, хранящихся в мышца является небольшим, легко доступным и быстро используется благодаря этим двум факторам. Поднятие тяжестей или бег на короткие дистанции - примеры упражнений, в которых используется этот энергетический путь.

Анаэробный

Путь анаэробной гликолитической энергии является источником энергии человека после первых 30 секунд упражнения и до 3 минут после начала упражнения. Первые 30 секунд упражнений больше всего зависят от фосфогенного пути для производства энергии. Через Гликолиз, разбивка углеводы из запасов глюкозы в крови или мышечного гликогена вырабатывает АТФ для организма без потребности в кислороде.[4] Этот энергетический путь часто рассматривается как переходный путь между фосфогенным энергетическим путем и аэробным энергетическим путем из-за того, что в упражнении этот путь начинается и заканчивается. Бег на 300-800 метров является примером упражнения, в котором используется этот метод, поскольку он обычно имеет более высокую интенсивность, чем упражнения на выносливость, и продолжается только 30–180 секунд, в зависимости от тренировки.

Аэробный (окислительный)

Путь аэробной энергии - третий и самый медленный АТФ продуцирующий путь, который зависит от кислорода. Этот энергетический путь обычно поставляет основную часть энергии тела во время тренировки - через три минуты с начала упражнения до конца или когда человек испытывает усталость. Организм использует этот энергетический путь для упражнений с меньшей интенсивностью, которые длятся более трех минут, что соответствует скорости, с которой организм производит АТФ с помощью кислород.[3] Эта энергетическая система необходима спортсменам, работающим на выносливость, таким как марафонцы, триатлонисты, лыжники и т. Д. Путь аэробной энергии способен производить наибольшее количество АТФ из этих трех систем. Во многом это из-за способности этой энергетической системы преобразовывать жиры, углеводы, и белок в состояние, которое может войти в митохондрии, место производства аэробного АТФ.[5]

Физиологические характеристики марафонцев

Аэробная способность (VO2Макс)

Марафонцы достигают аэробных способностей выше среднего, часто на 50% больше, чем у обычно активных людей.[6] Аэробная способность или VO2Макс это способность человека максимально поглощать и потреблять кислород всеми тканями тела во время изнурительных упражнений.[7] Аэробная нагрузка служит хорошим показателем интенсивности упражнений, поскольку это верхний предел физической работоспособности. Человек не может выполнять упражнения со 100% VO.2Макс в течение длительного периода времени.[7] Марафон обычно проходит с 70-90% VO.2Макс а частичное использование аэробных способностей является ключевым компонентом марафонских выступлений.[6] Физиологические механизмы, определяющие аэробную способность или VO2Макс состоят из транспортировки / распределения крови и использования этого кислорода в мышечных клетках.[7] VO2Макс является одним из важнейших показателей выполнения упражнений на выносливость. VO2Макс элитного бегуна при максимальных нагрузках почти в два раза больше, чем у тренированного взрослого человека при максимальных нагрузках.[8] Марафонцы демонстрируют физиологические характеристики, которые позволяют им справляться с высокими требованиями к бегу на 26,2 мили (42,195 км).

Компоненты аэробной способности

Основные компоненты VO человека2Макс - это свойства аэробной способности, которые влияют на фракционное использование (% VO2Макс) этой способности поглощать и потреблять кислород во время изнурительных упражнений. Транспортировка большого количества крови в легкие и из легких для достижения всех тканей тела зависит от высокой сердечный выброс и достаточный уровень общего гемоглобина в организме. Гемоглобин - это белок, переносящий кислород в клетках крови, который переносит кислород из легких в другие ткани тела через систему кровообращения.[9] Для эффективной транспортировки кислорода в крови во время марафон, распределение крови должно быть эффективным. Механизм, обеспечивающий такое распределение кислорода к мышечным клеткам, - это мышечный кровоток.[10] 20-кратное увеличение местного кровотока в скелетных мышцах необходимо спортсменам, работающим на выносливость, таким как марафонцы, для удовлетворения потребностей своих мышц в кислороде при максимальных нагрузках, которые до 50 раз превышают потребности в отдыхе.[10] После успешной транспортировки и распределения кислорода в крови извлечение и использование крови в скелетных мышцах - это то, что дает эффект повышенной аэробной способности марафонца и общее улучшение результатов марафона. Извлечение кислорода из крови осуществляется миоглобин внутри клеток скелетных мышц, которые принимают и хранят кислород.[9] Эти компоненты аэробной способности помогают определить максимальное поглощение и потребление кислорода телом. ткани во время изнурительной тренировки.

Ограничения аэробной способности (VO2Макс)

Во время марафона и упражнений на выносливость общие ограничения аэробных возможностей - это то, что определяет аэробные способности этих спортсменов и, следовательно, их результаты в марафонском беге.

Сердечный

У марафонцев часто увеличиваются размеры сердца и снижается частота пульса в состоянии покоя, что позволяет им достичь большей аэробной способности.[7][11] Хотя эти морфологические и функциональные изменения в сердце марафонца помогают максимизировать его аэробные способности, эти факторы также определяют предел для человека, который может максимально поглощать и потреблять кислород в тканях своего тела во время упражнений на выносливость. Увеличенные размеры сердца позволяют человеку достичь большего ударный объем . Сопутствующее уменьшение ударного объема происходит с первоначальным увеличением частоты сердечных сокращений в начале тренировки.[6] Максимальная частота пульса, которую может достичь человек, ограничена и уменьшается с возрастом (расчетная максимальная частота пульса = 220 - возраст в годах).[12] Несмотря на увеличение размеров сердца, аэробная способность марафонца ограничена этим пределом и постоянно снижается. частота сердцебиения. Аэробные способности спортсмена не могут постоянно увеличиваться, потому что их максимальная частота слышимости может перекачивать только определенный объем крови.[12][7]

Пропускная способность кислорода

Человек, бегущий марафон, испытывает приток крови к скелетным мышцам. Такое распределение крови максимизирует извлечение кислорода скелетными мышцами, чтобы аэробно производить столько АТФ, сколько необходимо для удовлетворения спроса. Для этого объем крови увеличивается.[7] Первоначальное увеличение объема крови во время марафонского бега может позже привести к уменьшению объема крови в результате повышения внутренней температуры тела, изменений pH в скелетных мышцах и повышенного обезвоживания, связанного с охлаждением во время таких упражнений. Кислородное сродство крови зависит от плазма крови объем и общее уменьшение объема крови. Обезвоживание, разница температур и pH между легкие а мышечные капилляры могут ограничивать способность частично использовать свои аэробные способности (% VO2Макс).[7][13]

Вторичные ограничения

Другие ограничения, влияющие на VO марафонца2Макс включают легочная диффузия, активность ферментов митохондрий и плотность капилляров. Эти характеристики марафонца могут быть расширены по сравнению с характеристиками нетренированного человека, но их верхние пределы определяются телом. Повышенная активность ферментов митохондрий и повышенная плотность капилляров, вероятно, вмещают больше аэробно продуцируемого АТФ. Это увеличение происходит только до определенного момента и помогает определить максимальную аэробную способность.[7] Легочная диффузия у этих людей сильно коррелирует с VO.2Макс и может ограничить неспособность этих людей эффективно насыщать гемоглобин кислородом из-за большого сердечный выброс.[7][14] Более короткое время прохождения большего количества крови, перекачиваемой за единицу времени, можно объяснить недостаточным насыщением кислородом, которое часто наблюдается у хорошо подготовленных спортсменов, таких как марафонцы. Не весь вдыхаемый воздух и его компоненты попадают в легочную систему из-за воздействия человеческого тела. анатомическое мертвое пространство, который с точки зрения физических упражнений является источником потери кислорода.[15]

Экономия бега

Несмотря на то, что это один из самых ярких предикторов результатов марафона, большой голосовой голос2Макс это только один из факторов, которые могут повлиять на результаты марафона. Экономичность бега марафонца - это его субмаксимальная потребность в кислороде на определенных скоростях. Эта концепция экономии бега помогает объяснить различное время марафона для бегунов с одинаковыми аэробными способностями.[11] В устойчивое состояние Потребление кислорода, используемое для определения экономичности бега, демонстрирует затраты энергии при беге на субмаксимальных скоростях. Это часто измеряется объемом потребленного кислорода в литрах или миллилитры, на килограмм веса тела в минуту (л / кг / мин или мл / кг / мин).[6] Расхождения во времени победных выступлений разных марафонцев с практически одинаковым показателем ВО2Макс и% VO2Макс значения можно объяснить разным уровнем потребления кислорода в минуту при одинаковых скоростях. По этой причине видно, что Джим МакДонах пробежал марафон быстрее, чем Тед Корбитт в своих победных выступлениях, по сравнению с Корбиттом. Это повышенное требование к субмаксимальному потреблению кислорода (3,3 л кислорода в минуту для Корбитта против 3,0 л кислорода в минуту для МакДонаха) положительно коррелирует с более высоким уровнем расхода энергии при беге с той же скоростью.[6]

Экономия (эффективность) бега является важным фактором в достижении элитного марафонского бега, поскольку расход энергии слабо коррелирует с увеличением средней скорости бегуна.[6] Несоответствие в экономичности бега определяет различия в марафонских показателях, а эффективность этих бегунов иллюстрирует предельные различия в общих расходах энергии при беге с большей скоростью, чем у спортсменов-любителей.

Лактатный порог

Скорость бегуна-марафонца на пороге лактата сильно зависит от его результатов. Лактатный порог или анаэробный порог считается хорошим показателем способности организма эффективно обрабатывать и передавать химическую энергию в механическая энергия.[7] Марафон считается доминирующим аэробным упражнением, но более высокая интенсивность, связанная с элитной производительностью, требует большего процента анаэробной энергии. Лактатный порог - это точка пересечения между преимущественно аэробным использованием энергии и анаэробным использованием энергии. Этот переход связан с неспособностью анаэробной энергетической системы эффективно производить энергию, что приводит к накоплению лактат в крови часто связано с мышечной усталостью.[16] У тренированных на выносливость спортсменов повышение концентрации лактата в крови наблюдается примерно на 75-90% VO.2Макс, что прямо соответствует VO2Макс марафонский пробег на. При таком высоком уровне интенсивности, выдерживаемом более 2 часов, бегуну-марафонцу требуется больше энергии, чем то, которое обеспечивается исключительно митохондриальной активностью. Это приводит к более высокому соотношению анаэробной и аэробной энергии во время марафона.[7][16] Чем выше скорость и частичное использование аэробной способности человека на пороге молочной железы, тем лучше его общая производительность.

Существует неопределенность в отношении того, как лактатный порог влияет на выносливость. Накопление уровней лактата в крови связано с потенциальной гипоксемией скелетных мышц, а также с производством большего количества глюкозы, которая может использоваться в качестве энергии.[11][7] Неспособность установить единичный набор физиологических вкладов в эффект накопления лактата в крови у тренирующегося человека создает коррелятивную роль лактатного порога в марафонской результативности, а не причинную роль.[17]

Альтернативные факторы, влияющие на результативность марафона

Топливо

Чтобы поддерживать высокую интенсивность бега, марафонец должен иметь достаточные гликоген магазины. Гликоген можно найти в скелетных мышцах или печени. При низком уровне запасов гликогена в начале марафона преждевременное истощение этих запасов может снизить производительность или даже помешать завершению забега.[6][7] Производство АТФ посредством аэробных путей может дополнительно ограничиваться истощением гликогена. Свободные жирные кислоты служить щадящим механизмом для гликоген магазины. Искусственное увеличение этих жирных кислот вместе с тренировками на выносливость демонстрирует способность марафонца выдерживать более высокие нагрузки в течение более длительных периодов времени. Продолжительное поддержание интенсивности бега объясняется высокой скоростью оборота жирных кислот, что позволяет бегуну сохранять запасы гликогена позже во время забега.[11]

Некоторые предполагают, что проглатывание моносахариды при низких концентрациях во время гонки может замедлить истощение гликогена. Эта более низкая концентрация, в отличие от высокой концентрации моносахаридов, предлагается как средство для поддержания более эффективного опорожнения желудка и более быстрого кишечного поглощения этого источника энергии.[11] Углеводы может быть наиболее эффективным источником энергии для АТФ. Вечеринки с макаронами и потребление углеводов в дни, предшествующие марафону, являются обычной практикой марафонцев всех уровней.[6][18]

Терморегуляция и потеря жидкости в организме

Поддержание внутренней температуры тела имеет решающее значение для работоспособности и здоровья марафонца. Неспособность снизить повышение внутренней температуры тела может привести к гипертермия. Чтобы уменьшить тепло тела, тело должно отводить тепло, выделяемое в процессе обмена потоотделения (также известное как охлаждение испарением). Рассеяние тепла за счет испарения пота может привести к значительной потере воды телом.[11] Бегун-марафон может терять воду, добавляя до 8% веса тела.[6] Замена жидкости ограничена, но может помочь снизить внутреннюю температуру. Восполнение жидкости физиологически сложно во время упражнений такой интенсивности из-за неэффективного опорожнения желудка. Частичное восполнение жидкости может помочь избежать перегрева тела марафонца, но этого недостаточно, чтобы не отставать от потери жидкости из-за испарения пота.

Факторы окружающей среды

Факторы окружающей среды, такие как сопротивление воздуха, дождь, местность и жара, влияют на способность марафонца проявлять все свои физиологические способности. Факторами являются сопротивление воздуха или ветер, а также рельеф трассы марафона (холмистый или равнинный).[11][7] Дождь может повлиять на производительность, добавив веса одежде бегуна. Температура, особенно жара, является самым сильным препятствием для марафонских выступлений.[19] Повышение температуры воздуха одинаково влияет на всех бегунов. Эта отрицательная корреляция между повышенной температурой и сокращением времени забега связана с госпитализацией марафонцев и физическими упражнениями. переохлаждение. Существуют и другие факторы окружающей среды, менее напрямую связанные с результатами марафона, такие как загрязняющие вещества в воздухе и даже призовые деньги, связанные с определенным марафон сам.[19]

Рекомендации

  1. ^ Джеймс Р. (30 октября 2009 г.). «Марафон». Время. ISSN  0040-781X. Получено 2018-04-29.
  2. ^ Хатчинсон А. "Как марафон изменился со временем?". Мир бегунов. Получено 2018-04-29.
  3. ^ а б c «Объяснение трех основных энергетических путей». www.acefitness.org.
  4. ^ а б Дитон М. «Биоэнергетика и олимпийский спортсмен».
  5. ^ «Основы упражнений: лучшее понимание нашего пути к аэробной энергии». blog.nasm.org. 19 февраля 2016 г.
  6. ^ а б c d е ж грамм час я Костилл Д.Л. (август 1972 г.). «Физиология марафонского бега». Журнал Американской медицинской ассоциации. 221 (9): 1024–9. Дои:10.1001 / jama.1972.03200220058013. PMID  5068289.
  7. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п Сперлих Б., Зиннер С. (2016). Марафонский бег: физиология, психология, питание и тренировочные аспекты. Швейцария: Springer International Publishing. ISBN  978-3-319-29726-2.
  8. ^ Сперрин П.Н. (1983). Спорт и медицина. Лондон: Баттервортс. ISBN  978-0-407-00270-8. OCLC  9393873.
  9. ^ а б «Гемоглобин и функции железа». Медицинский центр UCSF. Получено 2018-04-25.
  10. ^ а б Сарелиус I, Поль У (август 2010). «Контроль мышечного кровотока во время упражнений: местные факторы и интегративные механизмы». Acta Physiologica. 199 (4): 349–65. Дои:10.1111 / j.1748-1716.2010.02129.x. ЧВК  3157959. PMID  20353492.
  11. ^ а б c d е ж грамм Sjödin B, Svedenhag J (март 1985 г.). «Прикладная физиология марафонского бега». Спортивная медицина. 2 (2): 83–99. Дои:10.2165/00007256-198502020-00002. PMID  3890068.
  12. ^ а б «Целевая частота пульса и расчетная максимальная частота пульса». Центры США по контролю за заболеваниями (CDC). Получено 2018-04-26.
  13. ^ Mairbäurl H (12 ноября 2013 г.). «Эритроциты в спорте: влияние упражнений и тренировок на снабжение кислородом эритроцитами». Границы физиологии. 4: 332. Дои:10.3389 / fphys.2013.00332. ЧВК  3824146. PMID  24273518.
  14. ^ Заворский Г.С., Уилсон Б., Харрис Дж. К., Ким Д. Д., Карли Ф., Мэйо, штат Нью-Йорк (апрель 2010 г.). «Легочная диффузия и аэробная способность: есть ли связь? Имеет ли значение ожирение?». Acta Physiologica. 198 (4): 499–507. Дои:10.1111 / j.1748-1716.2009.02059.x. PMID  19912149.
  15. ^ "Мертвый космос". oac.med.jhmi.edu. Получено 2018-04-29.
  16. ^ а б «Анаэробный порог». SportsMed Web. Получено 2018-04-29.
  17. ^ Фауде О., Киндерманн В., Мейер Т. (2009). «Концепции лактатного порога: насколько они верны?». Спортивная медицина. 39 (6): 469–90. Дои:10.2165/00007256-200939060-00003. PMID  19453206.
  18. ^ Осовски А. «Рекомендации для марафонцев» (PDF).
  19. ^ а б Эль Хелу Н., Таффлет М., Бертело Дж., Толайни Дж., Марк А., Гийом М., Освирт С., Туссен Дж. Ф. (май 2012 г.). «Влияние параметров окружающей среды на результативность марафонского бега». PLOS One. 7 (5): e37407. Дои:10.1371 / journal.pone.0037407. ЧВК  3359364. PMID  22649525.