Экстренная медицина

Главная О сайте Блог врача
 
Адаптация системы кровообращения к физическим нагрузкам
Анатомия и физиология - Сердечно-сосудистая система

Возрастные особенности адаптации системы кровообращения. Сердечно-сосудистая система первой отзывается на воздействие физической нагрузки. Не случайно до настоящего времени оценка большинства функциональных проб с физической нагрузкой производится с обязательным учетом адекватности (соответствия) сдвигов в функциях сердечно-сосудистой системы физическим нагрузкам. Да и субъективные ощущения нас редко обманывают: чрезмерная нагрузка дает знать о себе прежде всего сердцебиением, увеличением частоты сердечных сокращений.

Высокие адаптационные возможности сердечно-сосудистой системы, реализующиеся при физических нагрузках, следует рассматривать как эволюционно приобретенные формы приспособительной реакции. Эти возможности особенно ярко проявляются при рождении ребенка. Появление ребенка на свет сопровождается коренными перестройками в системе кровообращения. До рождения организм плода обеспечивается кислородом за счет материнской крови — через плацентарное кровообращение. С прекращением плацентарного кровотока для поступления кислорода в организм новорожденного остается единственный путь — легочное дыхание.

Переход на легочное дыхание и раскрытие сосудистого русла легочного кровотока приводит к функциональным и структурным перестройкам в системе кровообращения новорожденного.

Кислород и питательные вещества поступают в организм плода из тела матери через пупочную вену. Пройдя через печень плода, кровь матери попадает в нижнюю полую вену. Большая часть крови, поступающая по нижней полой вене, через отверстие в межпредсердной перегородке (овальное отверстие) поступает в левое предсердие, а затем в левый желудочек.

Венозная кровь верхней части туловища и головы через бо-таллов проток поступает в нисходящую часть аорты ниже места отхождения от нее сонных и подключичной артерий, т.е. артерий, питающих верхнюю часть туловища. Поэтому в верхнюю часть туловища поступает более насыщенная кислородом материнского тела кровь из левого желудочка.

Следствием этого удивительного адаптивного механизма является интенсивное развитие головного мозга и верхних конечностей. Ребенок появляется на свет со сформированными функциональными системами, обеспечивающими его выживание.

В первые дни после рождения овальное отверстие закрывается, а затем постепенно, в течение 5—7 месяцев, зарастает. Предсердия становятся полностью изолированными друг от друга. Венозная кровь правого предсердия больше не смешивается с артериальной кровью левого предсердия.

Столь сложные многофункциональные преобразования в системе кровообращения новорожденного, происходящие буквально на наших глазах, свидетельствуют о высочайшей способности сердечно-сосудистой системы к адаптивным перестройкам в процессе жизнедеятельности. Эти изменения происходят в системе его энергообеспечения, в структуре сократительных элементов сердца, в функциональном аппарате регуляции системы кровообращения.

Главным источником энергии для сердечной деятельности после рождения является окислительное фосфорилирование, т.е. сопряжение окислительных процессов с запасанием энергии в АТФ и КрФ. Сам сократительный акт — результат трансформации АТФ в механическую работу сердечной мышцы.

Повышенная функциональная нагрузка на сердце приводит к совершенствованию окислительного фосфорилирования. Доля гликолитического энергообеспечения (за счет безкислородного распада глюкозы) постепенно падает. С возрастом уменьшается и относительное содержание гликогена в сердечной мышце. Мощность сократительного аппарата сердца постепенно нарастает. Это приводит к повышению гемодинамических характеристик — систолического (СОК) и минутного (МОК) объема крови, артериального давления.

Возрастные изменения систолического и минутного объема крови связаны в первую очередь с увеличением массы и объема сердца. Систолический объем крови от 1 года до 14—16 лет увеличивается примерно в б раз (с 10 до 55 — 60 мл). Темпы роста МОК несколько отстают от увеличения СОК. С возрастом частота сердечных сокращений падает. При сохранении высоких темпов увеличения ударного объема, вследствие уре-жения частоты сокращений сердца, снижается прирост минутного объема крови. С 1 года до 14— 16 лет МОК увеличиваетсятпримерно в три раза (с 1,2 до 3,8 л/мин).

В дошкольном возрасте объем сердца растет пропорционально увеличению суммарного просвета сосудов, а с 7 до 11 лет просвет крупных сосудов, прекапиллярного и капиллярного русла становится относительно большим, чем у взрослых. Но в подростковом возрасте у высокорослых детей может наблюдаться относительно замедленное увеличение суммарного просвета сосудов по сравнению с увеличивающимся объемом сердца. Это делает необходимой строгую индивидуальную дозировку упражнений для подростков с ускоренным (акселераты) и замедленным (ретарданты) биологическим развитием.

Функциональные резервы адаптации сердечно-сосудистой системы к физическим нагрузкам. Одним из наиболее информативных показателей адаптационных резервов сердца при мышечной деятельности является сократительная функция миокарда. В фазовой структуре сокращения желудочков сердца у тренированных спортсменов в условиях относительного покоя отмечаются особенности, которые получили название фазового синдрома регулируемой гиподинамии. У спортсменов удлиняется фаза изометрического сокращения, а фаза изгнания относительно укорачивается. Регулируемая гиподинамия сердца является одним из проявлений «экономизирующего» влияния тренировки. Степень выраженности регулируемой гиподинамии пропорциональна функциональному резерву сердца, т.е. его способности к высокой саморегуляции и интенсификации восстановительных процессов.

Синдром регулируемой гиподинамии миокарда является результатом повышения тонуса блуждающего нерва, оказывающего на сердце сдерживающее влияние. Вместе с тем усиленными оказываются и механизмы торможения симпатических (активизирующих работу сердца) влияний.

Проявление регуляторных влияний блуждающего нерва на сердце обнаруживается уже с 3 — 4-месячного возраста. Оно выражается в замедлении частоты сердечных сокращений. Систематическая мышечная деятельность приводит к повышению тонуса блуждающего нерва (вагуса). Повышение тонуса, иначе говоря, усиление влияний вагуса на сердце сопровождается восстанавливающим эффектом, снижением обменных процессов, а также нормализацией сократительной функции проводимости и возбудимости сердечной мышцы.

Постоянные тонические влияния блуждающею нерва на сердце устанавливаются к 2,5—3 годам. Дальнейшее повышение влияний блуждающего нерва на сердце связано с уровнем двигательной активности. При резком ее ограничении (например, у больных детей, длительное время прикованных к больничной койке) тонус блуждающего нерва остается на уровне 3 —4-летних детей. Симпатические влияния на сердце в 7 — 11-летнем возрасте более выражены, чем парасимпатические. Возрастное повышение тонуса блуждающего нерва приводит к замедлению сердечного ритма. В 7 —8-летнем возрасте частота сердечных сокращений составляет 90 — 92 удара, в 9 — 10-летнем — 86 — 38 ударов. К 11 — 12-летнему возрасту пульс снижается до 82 — 84 ударов в минуту.

Физиологические механизмы адаптационных перестроек при мышечной деятельности подвержены возрастным изменениям. Период начального усилия (первая фаза врабатывания) характеризуется у детей замедленной по сравнению со взрослыми реализацией симпатических влияний на сердце. Если у взрослых спортсменов за первые 5 — 15 с работы продолжительность сердечного цикла уменьшается на 70 — 80%, то у детей — на 25 — 30%. Вторая фаза врабатывания — поиск оптимального уровня стабилизации — у детей короче, чем у взрослых. Она продолжается 15 —20 с против 20 — 45 у взрослых спортсменов. Таким образом, несмотря на относительно медленное увеличение частоты сердечных сокращений в первые 5 — 15 с, дети раньше, чем взрослые, достигают высоких показателей пульса. Врабатывание по частоте сердечных сокращений у них происходит за 30 — 45 с. Но эта видимая сторона не отражает процессов соотношения механических и метаболических проявлений сердечной функции. У детей по сравнению со взрослыми оказываются замедленными метаболические сдвиги, обеспечивающие срочный эффект адаптации к нагрузке.

Медленнее, чем у взрослых, повышается у детей и артериальное давление. Вследствие этого периферический кровоток оказывается недостаточным для мобилизации метаболических процессов в работающих мышцах.

Гетерохронность в развертывании функций сердечно-сосудистой системы сохраняется у детей и при достижении устойчивой работоспособности. Адаптивные перестройки, связанные с мышечной деятельностью, происходят у детей и подростков преимущественно за счет сдвигов в частоте сердечных сокращений. Это относится, в частности, к повышению минутного объема крови — одного из показателей адекватности адаптационных сдвигов. Он растет у юных спортсменов за счет увеличения частоты сердечных сокращений. Следовательно, и адаптационные резервы системы кровообращения исчерпываются у них за счет увеличения частоты сердечных сокращений. Гемодинамический показатель — ударный объем крови — меняется незначительно. Иначе говоря, пульсовая стоимость работы у ребенка объективно отражает физиологические траты организма.

Эти способности начального этапа адаптации к нагрузке (вра-батывания) необходимо учитывать при построении тренировки и проведении школьного урока физической культуры. Замедленная по сравнению со взрослыми спортсменами перестройка метаболизма сердечной мышцы при интенсивной нагрузке должна быть компенсирована достаточной по времени разминкой.

В старшем школьном возрасте создаются морфологические основы, а также изменения в системе регуляции сердца, которые обеспечивают увеличение амплитуды колебаний сердечной производительности в ситуации «мышечный покой — работа». Рабочие сдвиги приближаются к показателям взрослых людей. С возрастом эффективность кровообращения при физической нагрузке, оцениваемая по отношению систолического давления к частоте сердечных сокращений, улучшается. Эта же тенденция отмечается и с ростом тренированности: при нагрузке одинаковой мощности (на 1 кг массы) у тренированных спортсменов показатель эффективности кровообращения увеличивается.

Период врабатывания, оцениваемый по времени установления оптимальных соотношений функциональных характеристик деятельности сердечно-сосудистой системы, с возрастом укорачивается. Создаются благоприятные предпосылки к быстрому переходу на новый, более высокий уровень функционирования при внезапном увеличении физической нагрузки. Система регуляции сердечной деятельности становится более надежной. Укорачивается время восстановления сердечной функции после физической нагрузки. Это является следствием возрастного повышения потенциальной способности к мобилизации нервных механизмов регуляции сердечной деятельности. У детей и подростков пульсовая сумма восстановления оказывается большей, чем у юношей И взрослых спортсменов.

Структурные основы адаптации сердца. Структурные изменения в сердечной мышце являются основой долговременной адаптации сердца к мышечной работе. Синтез белковых структур сердечной мышцы стимулируется дефицитом АТФ, наступающим при истощающих физических напряжениях.

Если истощение превышает физиологические нормы, может наступить перенапряжение, срыв адаптации. Моделью подобного срыва может служить больное сердце, работающее с постоянной перегрузкой. Так, при сужении аорты и затруднении оттока крови возникает стойкая гиперфункция сердца. При этом в 2,5 — 3 раза возрастает интенсивность функционирования единицы сердечной массы (аварийная стадия). Компенсация аварийной стадии идет стремительно: в течение нескольких суток масса сердца увеличивается на 50 — 80%, а к концу аварийной стадии — в 1,5 — 2 раза. В гипертрофированном сердце снижается функциональная нагрузка на единицу его массы, наступает стадия компенсаторной гипертрофии сердца.

Быстро развивающаяся гипертрофия сердца опережает рост симпатических аксонов. Иначе говоря, падает плотность симпатической иннервации. Концентрация симпатического медиатора (норадреналина) падает в 3 — 5 раз. Отстает от темпов увеличения сердечной мышцы и развитие капиллярной сети. Если в нормальном сердце в покое раскрыта примерно половина капилляров сердечной мышцы, то в гипертрофированном — около 75%.

Длительная адаптация обеспечивается усилением биосинтетических процессов в сердечной мышце и увеличением его массы (гипертрофия) с параллельным улучшением васкуляриза-ции сердца. Масса гипертрофированного сердца может превышать нормальную в 1,5 — 2 раза.

В нормально развитом сердце на 1 мм3 мышечной массы в покое раскрыты 2300 капилляров. При мышечной работе раскрываются дополнительно около 2000 капилляров. В гипертрофированном сердце общее число капилляров не превышает 2000 на 1 мм3. Резерв адаптации не превышает 300 капилляров. Снижение васкуляризации приводит к ухудшению аэробного обмена в гипертрофированном сердце.

Физиологическая гипертрофия может осуществляться за счет утолщения волокон сердечной мышцы (d-тип), так и за счет их удлинения (Z-тип). Если в первом случае мощность сердечного выброса повышается за счет увеличения силы мышечных волокон сердца, то во втором — за счет их растягивания массой крови (эффект Франка — Стерлинга).

Адаптация сердца к периодическим физическим нагрузкам растягивается во времени, периоды отдыха от нагрузок приводят к сбалансированному увеличению структурных элементов сердца, т.е. адаптация идет по первому типу. Мощность симпатической иннервации на единицу массы сердца при этом не уменьшается, а сохраняется на уровне, присущем нормальному не гипертрофированному сердцу. Масса сердца увеличивается в пределах 20 — 40%.

Капиллярная сеть растет пропорционально увеличивающейся массе. Увеличение концентрации миоглобина, наблюдаемое при мышечной работе, приводит к улучшению переноса 02. Вследствие повышения АТФ-ной активности миозина, а также ускорения транспорта кальция к сократительным структурам сердца увеличивается скорость и амплитуда сердечных сокращений.

Подобный ход адаптивных перестроек в сердце дает основание утверждать, что гипертрофия при периодической нагрузке на сердце является физиологическим феноменом, не несущим в себе признаков патологических изменений. Поэтому при оценке адаптационных перестроек в сердечной мышце следует принимать в расчет темпы их развития. Формирование адаптивных перестроек, вызванное стремлением достигнуть высоких спортивных результатов в короткий период времени, может привести к компенсаторной гипертрофии.

Тренированное, умеренно гипертрофированное сердце в условиях относительного физиологического покоя имеет пониженный обмен, умеренную брадикардию, сниженный минутный объем. Оно работает на 15 — 20% экономнее, чем нетренированное. При систематической мышечной работе в сердечной мышце снижается скорость гликолитических процессов: энергетические продукты расходуются более экономно. В энергетический обмен включаются жирные кислоты.

Морфологические перестройки сердца проявляются как в увеличении мышечной массы, так и в увеличении клеточных «энергетических машин» — митохондрий. Увеличивается также масса мембранных систем, обеспечивающих рецепцию управляющих сигналов как с адренергических, так и с холинер-гических нервных волокон. Иначе говоря, чувствительность сердца к симпатическим, усиливающим функции сердца влияниям при мышечной работе повышается. Одновременно совершенствуются и механизмы экономизации: в покое и при малоинтенсивной нагрузке сердце работает с низкими энергозатратами, при наиболее рациональном соотношении фаз сердечного сокращения.

Структурные изменения, вызванные рациональной тренировкой, не сопровождаются снижением удельного кровообращения. Функциональная нагрузка на единицу массы сердца в условиях покоя снижается. Действительно, если сократительная масса сердца увеличивается на 20 — 40%, то функциональная нагрузка на единицу массы уменьшается на соответствующую величину. Это один из наиболее надежных механизмов сохранения потенциальных ресурсов сердца.

Как свидетельствует практический опыт, юные спортсмены, имеющие физиологически гипертрофированное сердце, хорошо адаптируются к физическим нагрузкам умеренной мощности. При выполнении нагрузки предельной мощности у них отчетливо проявляется гипердинамический синдром. Производительность тренированного, физиологически гипертрофированного сердца возрастает по сравнению с нетренированным примерно в 2 раза. Между тем, нагрузка на единицу массы тренированного сердца при максимальной работе возрастает в пределах 25%. Иначе говоря, перегрузка такого сердца практически исключается даже при весьма напряженной мышечной работе, характерной для современного спорта.

Фомин А. Ф. Физиология человека, 1995 г.

 

ОПРОС

Имеете ли вы отношение к медицине?
 

Nota bene!

Материалы сайта представлены для получения знаний об экстренной медицине, хирургии, травматологии и неотложной помощи.

При заболеваниях обращайтесь в медицинские учреждения и консультируйтесь с врачами