Количественный анализ функциональных систем человека для оценки физической работоспособности

А.С.Ровный, О.А.Ровная, В.А. Галимский

Харьковская государственная академия физической культуры

Установление новых дополнительных свойств системы (принцип сверхаддитивности) является основополагающей характеристикой общей теории функциональных систем (А.Н. Меделянский, 1985). Фундаментальным вкладом академика П.К.Анохина [1971] в эту теорию явилось определение уровня полезности, как главного фактора этих дополнительных свойств деятельности функциональных систем. Полезный приспособительный результат является основой формирования и совершенствования каждой из функциональных систем, что обеспечивает в свою очередь выживаемость организма и адаптацию человека к его профессиональной деятельности [4].

Исследования человека в условиях спортивной деятельности относятся к числу направлений, в которых методы количественного анализа состояния организма при спортивной деятельности получили наиболее ранее и широкое применение[6, 11].

Специфичностью для спорта являются высокие и сверхвысокие физические нагрузки, которые вызывают аналогичные функциональные напряжения. Адаптация функциональных систем к подобным напряжениям обусловила такую необходимость:

1. применять для выявления резервных возможностей спортсменов дозированные физические нагрузки;

2. изучать в покое и при дозированных нагрузках относительно большее, чем в других областях физиологии, число функциональных и биохимических показателей [5]

Показатели многопараметрического исследования спортсменов в покое и при дозированных нагрузках выявляют тесную связь : 1. между величиной нагрузки и уровнем потребления кислорода; 2. между увеличением уровня обменных процессов и усилением деятельности основных систем жизнеобеспечения (напряжения функций сердца, дыхательной и сосудистой мускулатуры и т.д.).

Однако в исследовании спортсменов до сих пор, в значительной степени по технико-методическим причинам, преобладают исследования в пределах одной и той же тестовой нагрузки и одного или нескольких функциональных показателей. Такой методический подход к исследованиям не дает единого системно-количественного выражения состояния организма спортсмена в данных конкретных условиях.

Вычисление соотношений уровней физиологических функций (дыхательный, гемодинамический коэффициент и др.) являются выражением количественной характеристики состояний организма и имеют повышенную информативность и представительность. Различные показатели, взятые в отдельности, выражают лишь отношение соответствующего уровня функциональной активности (АД, ЧСС и др.) к нулевым значениям в общей системе отсчета. Соотношение же синхронных значений, адекватно выбранным физиологическим показателям, выражает специфику состояний индивидуальной соответствующей функциональной системы в данный момент времени и в данных конкретных условиях [7].

При выполнении физических нагрузок показатели обмена веществ, функциональной активности, внутренних органов, приходят к новым соотношениям, существенно отличным от исходных. Эти отношения детерминируются величиной физической нагрузки. Именно в этом состоит специфика динамической метрологии организма как замкнутой системы, которая уравновешивается с окружающей средой за счет непрерывной адаптации функциональных систем и расходования ими энергетических резервов [8, 9, 12].

Это убедительно доказано в работах П.К.Анохина (1980), К.В.Судакова (1978). Именно каждый физиологический показатель является полезным приспособительным эффектом соответствующей функциональной системы . поскольку для достижения этого полезного эффекта данная функциональная система сформирована и сохраняется, то именно степень достижения этого полезного эффекта и является критерием оценки работы исполнительных органов данной функциональной системы.

Недостаточность энергетических резервов органов, нарушение их уравновешенной регуляции, снижают адаптационные возможности к изменяющимся условиям внешней среды.

Следовательно, основой системно-количественного анализа является расчет показателей эффективности – соотношение значений эффекта внутри функциональной системы и отдельных ее эффекторов, расчет удельной ценности каждого показателя, расчет соотношений полезных результатов отдельных органов, что характеризует уравновешенность их резервных возможностей (А.Н. Меделяновский, 1985).

Цель работы – рассмотрение возможности использования принципа полезности эффекта деятельности функциональной системы как реальной основы количественного анализа функциональных систем для оценки физической работоспособности спортсменов.

Организация и методы исследования

Исследование проводилось на двух группах испытуемых (по 25 человек в каждой) одного возраста. Первая группа – это ученики средней школы, не имеющие отклонений в состоянии здоровья и посещающие занятия физической культуры. Вторую группу составили юноши, занимающиеся каратэ и имеющие специальную подготовку на уровне первого спортивного разряда.

В процессе исследования определяют величину выполняемой дозированной работы на велоэргометре в диапазоне от 500 до 1400 кгм·мин^-1 . Объем тестовой нагрузки подбирали по методике двухступенчатой пробы, определяющей при расчете показателя РWC₁₇₀ (В.Л.Карпман 1965), согласно которой величина первой нагрузки определяется по исходным антропометрическим данным, а вторая – дополнительно по изменениям ЧСС при первой нагрузке.

В каждом исследовании синхронно регистрировали показатели кровообращения, внешнего дыхания и газообмена: частоту сердечных сокращений (ЧСС), минутный объем сердца (МОС), ударный объем сердца (УО), систолическое, диастолическое и пульсовое артериальное давление (АД), электрокардиограмму (ЭКГ), минутный объем дыхания (МОД), объем вдоха (ОВ), частоту дыхания (ЧД), минутное потребление кислорода (VО₂), минутную элиминацию СО₂, (VСО₂). Выдыхаемый воздух собирали в мешок Дугласа за 1 мин. Концентрацию О₂ и СО₂ регистрировали прибором «Спиролит – 2».

Пересчет показателей проводился на основе расчета показателей эффективности двухэтапно по отношениям эффектов исполнительных органов функциональной системы обеспечения газового состава к ее полезному эффекту (МОС/VО₂, МОД/VО₂; ПСС/VО₂) и по отношению этого полезного эффекта к полезному эффекту функциональной системы выполнения внешней работы (ВР) на велоэргометре (VО₂/ВР).

Расчет уравновешенности работы эффекторов производился в два этапа путем сопоставления значений этих эффекторов (МОС/МОД; МОС/ПСС; ПСС/МОД) и расчета соотношения прироста эффектов, а так же на уровне уравновешенности функций отдельного эффектора (УО/ЧСС и ОВ/ЧД).

Все полученные данные обрабатывались методами математической статистики.

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе исследования установлены специфические особенности в деятельности функциональных систем, которые свидетельствуют: 1. Непрерывность и стабилизация физиологических показателей кислородно-транспортной системы; 2. Установлена существенная роль отдельных систем и их резервов для достижения полезного результата, что является оценкой их функциональной стоимости; 3. Количественное выражение функционального состояния отдельных систем приобретает широкое применение для состояния и прогнозирования адаптационной способности к физическим нагрузкам. В табл.1. представлены показатели отдельных физиологических показателей у всех обследованных в зависимости от уровня физической подготовленности (группы А и Б).

Таблица 1.

Первичные физиологические показатели при дозированной велоэргометрической нагрузке

нагрузка	испытуемые	ЧСС	УО	АДс	ЧД	ОВ	ПСС	МОД	VО2
фон	А	54-115	25,0-111,1	80-135	8-37	230-790	1,7-11,2	5-23	140-637
	Б	81-100	31,2-106,1	85-110	13-37	230-770	2,6-8,8	5-18	140-450
1	А	69-154	28,1-142,4	100-190	10-40	500-3150	2,6-14,4	12-65	442-2092
	Б	111-156	23,0-116,5	100-130	10-36	500-1200	2,4-14,0	12-26	442-950
2	А	113-194	45,3-156,2	115-230	19-54	520-3590	3,6-17,1	17-73	700-3130
	Б	113-162	45,1-126,6	115-130	20-42	520-1500	3,6-14,5	13-36	700-1400

А – не занимающиеся спортом

Б – занимающиеся спортом

1 – первая нагрузка

2 – вторая нагрузка

Сопоставление первичных данных, не занимающихся спортом юношей и спортсменов показывают, что в состоянии покоя у спортсменов-каратистов наблюдается относительно высокий показатель ЧСС по отношению к низкому показателю VО₂. Относительно высокие значения ЧСС сохраняются у спортсменов и при первой нагрузке. Вместе с тем, наблюдаются относительно низкие значения не только УО, но также и ОВ, систолического АД, МОД. После второй нагрузки наблюдается снижение всех функциональных показателей.

В табл.2 показана динамика исследуемых показателей не занимающихся, и спортсменов-каратистов после первой и второй нагрузки в процентах по отношению к исходному уровню состояния покоя.

Таблица 2

Показатели эффективности и уравновешенности функциональных систем после дозированной велоэргометрической нагрузки

Этапы исслед	Исп.	МОС/VО2	МОД/VО2	ПСС/VО2	МОС·МОД·ПСС/VО2	МОС/МОД	ПСС/МОС	VО2\ЧСС	ОВ/ЧД
Исх. значение	А	4,4-33,1	22,1-58,8	1,6-8,1	180-482	0,12 -0,91	0,06-0,82	0,12-1,14	9-89,8
	Б	16,3±3,25	33± 2,32	8,3±0,57	215± 20,1	0,52± 0,09	0,65 ±0,12	0,52±0,09	23,4 ±4,1
После первой нагр.	А	36-77	56-74	21 -47	56 - 100	51-96	14-87	60-89	102-230
	Б	49 ±4,3	66 ±4,3	32± 6,1	91-82	65± 13,3	72± 14,4	75± 13,3	160± 42,8
После второй нагруз.	А	20-78	60 -72	9-19	70-96	32 - 75	19-51	42-80	83-200
	Б	39± 3,2	68 ±3,6	16±2,4	83± 7,1	56 ±9,1	43± 7,2	68± 11,5	139± 21,7

Характеризуя показатели эффективности и уравновешенности в исходном состоянии исследуемых показателей у молодых спортсменов, наблюдаются относительно высокие показатели отношения ПСС/VО₂ и низкие показатели МОС·МОД·ПСС·/VО₂; ПСС/МОС и ОВ/ЧД.

После первой нагрузки относительно повышенными для данной группы установлены показатели МОС·МОД·ПСС·/VО₂; ПСС/МОС. После второй нагрузки значения практически всех показателей у спортсменов приближаются к средним уровням. Следовательно, нарастающая нагрузка выявляет по первым показателям относительно большие резервы у молодых спортсменов, выполняющих стандартную нагрузку с относительно меньшим потреблением кислорода и напряжения обеспечивающих систем. Средние значения производных показателей у спортсменов свидетельствуют о близкой к оптимальному режиму системной адаптации организма к нагрузке.

У менее подготовленных испытуемых к физическим нагрузкам наблюдаются относительно равнозначные отклонения показателей, которые отражают повышенную чувствительность к физическим напряжениям.

Анализируя материалы исследования необходимо отметить, что соотношение функциональной активности систем между первой и второй нагрузкой свидетельствует о том, что потребление единицы объема кислорода осуществляется при меньшем напряжении кислородно-транспортной системы.

Динамика показателей эффективности представлена на рис.1.

Эффективность

О₂

М

СО₂

Рис.1. Взаимосвязь уравновешенности и эффективности энергетического состояния функциональной системы

Изменения показателей МОС·/VО₂; МОД·/VО₂; ПСС·/VО₂ дают основания считать, что в ряде воздействия физических нагрузок оптимум эффективности для каждого из показателей уже пройден и «цена» поглощения О₂ после длительного «плато» оптимального уровня возвращается к исходным значениям покоя и даже превышает их. Вместе с тем, у ряда менее подготовленных спортсменов относительно низкие значения специальной работоспособности оказываются тесно связанными с нарушением уравновешенности функциональных резервов систем. По этой причине оптимальные величины нагрузки для отдельных систем различны. Например, при скрытой сердечной недостаточности прирост МОС, начиная с определенного уровня нагрузки, замедляется, а нарастающая задолженность по газообмену компенсируется усиленным напряжением функции дыхания, одновременно с резким снижением ПСС, что в свою очередь облегчает сократительно-гемодинамическую деятельность сердца. В результате взаимодействия обеспечивающих систем в достижении высокого уровня работоспособности, значение уровня оптимума нагрузки для отдельных систем утрачивает свое значение.

При относительной сердечной недостаточности у испытуемых спортсменов компенсаторная активация дыхания выражается формированием «цены» О₂ по кровообращению, так как основную нагрузку по удовлетворению потребностей в О₂ принимает система дыхания. Это осуществляется за счет увеличения МОД, показатель которого обеспечивает возрастающие объемные потребности организма. Таким образом, оптимальность нагрузки определяется формированием синтетического критерия уровня функциональной активности обеспечивающих систем, который формирует полезный приспособительный эффект всей функциональной системы к физическим нагрузкам.

Наиболее доступным методическим путем решения этой необходимой задачи является формирование количественных аспектов теории функциональных систем, что явилось бы на первый взгляд, результатом суммации (интегрирование) подлинных затрат энергии сердцем, сосудистой и дыхательной мускулатурой. Однако этот вопрос, в определенной мере, является разработанным в физиологии в отношении работы сердца. Для дыхательной и сосудистой системы этот вопрос решения пока не получил.

Наиболее оправданным и доступным методом выбора синтетического критерия напряжения обеспечивающих систем, на наш взгляд, оказываются переменные значения исследуемых показателей: МОС·МОД·ПСС. Формирование из этого выражения синтетического показателя эффективности функциональной системы газового состава приводит к выражению (МОС·МОД·ПСС)/VО₂=(МОД·АД)/VО₂ т.е. к той же размерности давления, что соответствует энергетическому параметру, который выражается в общей системе мер. Показатели (МОС·МОД·ПСС)/ VО₂ и (МОД·АД)/VО₂ достаточно четко показывают совокупность значений эффективности отдельных эффекторов, т.е. характеризует свой уровень функциональной активности, как критерий слежения.

Выражение (МОС·МОД·ПСС)/ VО₂ путем математического образования можно упростить к такому виду АДср/ΔО₂, где ΔО₂ – разность содержания О₂ во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе. Применение лишь двухзначных физиологических показателей (АД ср и %О₂ в выдыхаемом воздухе) делает метод количественной оценки применимым в широком круге исследования уровня физиологической работоспособности и выборе восстановительных средств организма.

Учитывая, что более наглядным является рост значений полезности конечного результата при снижении физиологической его «цены» был сформулирован «интегральный показатель уравновешенности» (ИПУ) каждого показателя функциональной системы. Наиболее информативным показателем адаптации к физическим нагрузкам является преобладающее компенсаторное увеличение МОД при незначительном увеличении МОС и снижении ПСС, которое снижается в большей степени в зависимости от снижения работоспособности сердца. Это выражение имеет вид такой формулы: ИПУ = МОС·ПСС/МОД и отражает общую уравновешенность напряжения эффекторов дыхательной системы и кровообращения, которая ограниченна в своих возможностях резервами сердца.

В условиях физического напряжения значения ИПУ снижаются, что свидетельствует о реализации функциональных резервов этих систем. Вместе с тем, показатели уравновешенности отдельных показателей (УО/ЧСС и ОД/ЧД) достигают фазовых изменений в зоне оптимального уровня.

На рис.1. представлена схема общей характеристики энергетического состояния функциональной системы, которая включает в себя показатели эффективности и уравновешенности в неразрывном их взаимодействии. Наиболее информативным показателем энергетического состояния является «Интегральный показатель состояния» (ИПС). Он определяется произведением значений ИПЭ и ИПУ: ИПС=(ΔО₂/АД)·(МОС·ПСС/МОД). Для широкого применения выражение ИПС можно представить в упрощенном виде: ИПС=ΔО₂/МОД. Такое математическое выражение имеет значимое физиологическое значение, поскольку циркуляция О₂ обеспечивает развитие энергии в организме за счет взаимодействия внутренней среды организма с внешней средой.

Показатель ΔО₂ выражает необходимый уровень значений МОД и МОС для обеспечения жизненно необходимых обменных потребностей организма в О₂.

Значительный интерес представляет вопрос соотношения величины выполненной работы и уровня потребления О₂, как средства обеспечения работы. Полезным приспособительным результатом деятельности функциональной системы газового обеспечения (сердце, дыхательная система и система крови, сосудистая система) организма. Кроме поддержания О₂ и СО₂ артериальной крови, является удовлетворение потребностей газового обмена при работе разной интенсивности. Вместе с тем, вызывает особый интерес определение дополнительных факторов, которые в объеме соответствующей функциональной системы определяет эффективность, экономичность использования уровень поглощенного О₂.

Значительную диагностическую и прогностическую ценность представляет системно-количественный анализ соотношения значения первичных и производных показателей функциональной системы газового состава между нагрузкой и отдыхом. При повторных нагрузках с интервалами отдыха 5 мин отмечается сложная динамика показателей эффективности в конечных периодах нагрузки и отдыха.

Таким образом, полезный эффект деятельности функциональной системы можно применить для оценки эффективности эффекторов. Такой подход может быть применен к анализу любой функциональной системы, где в достижении полезного эффекта участвуют несколько эффекторов.

Заключение

Предлагаемый метод количественного анализа позволяет сформировать точное количественное выражение состояния функциональной системы в конкретный момент времени.

Сопоставление последовательных «моментных» состояний функциональной системы позволяет выявить динамику отдельных показателей в ходе исследуемого процесса (тренировочный процесс, соревновательный). Анализ установленной динамики позволяет прогнозировать дальнейшее развитие и устанавливать оптимальный уровень нагрузки.

Список литературы

1. Анохин П.К. Узловые вопросы теории функциональной системы/ П.К. Анохин. – М.: Наука, 1980. – 197с.

2. Анохин П.К. Принципиальные вопросы общей теории функциональных систем /П.К.Анохин //М.АН СССР, отделение физиологии, 19761 – 61с.

3. Данилова Н.Н. Функциональные состояния: Механизмы и диагностика/ Н.Н. Данилова – М.: Изд-во МГУ, 1985 – 287с.

4. Дуров А.М. Оценка уровня функциональных возможностей и биологического возраста спортсменов./А.М. Дуров, Г.В., Аминева, В.А. Терезин, Ю.А. Румянцева// Теория и практика физической культуры. – 2005. - №8. – С.24-26.

5. Карпман В.Л. Фазовый анализ деятельности сердца. / В.Л.Карпман // М.: Медицина. – 1965. – 265 с.

6. Карпман В.Л. Исследование физической работоспособности у спортсменов. / В.Л.Карпман // М.: Физкультура и спорт. – 1974. – 95с.

7. Коваленко С.О. Аналіз варіативності серцевого ритму за допомогою методу медіальної спектрограми/С.О. Коваленко// Фізіологічний журнал. – 2005. – Т.51. -№3. – С.92-95.

8. Коробейников Г.В. Исследование динамики функциональных состояний элитных спортсменов/Г.В. Коробейников и др.// Матер. международн. конференции. (Минск: НИИ ФКСРБ, 2007. – С.140-145.

9. Коробейников Г.В. Физиологические механизмы мобилизации функциональных резервов организма человека при напряженной мышечной деятельности. /Г.В. Коробейников// Физиология человека – 1995. – Т.21. -№3. –С.81-86.

10. Меделяновский А.Н. Количественный анализ важнейших функциональных систем человека с целью диагностики состояния здоровья и заболевания. /А.Н. Меделяновский// Проблемы социальной физиологии. – М.: 1985. Изд-во мединститута им. И.М.Сеченова – С.87-103.

11. Мищенко В.С. Реактивные свойства кардио-респираторной системы как отражение адаптации к напряженной мышечной деятельности. /В.С.Мищенко, Е.Н. Лысенко, В.Е. Виноградов// К..: Нуковий світ. – 2007. – 351с.

12. Приймаков А.А. Текущий и оперативный контроль функционального состояния сердца у спортсменов-борцов высшей квалификации на предсоревновательном этапе подготовки/ А.А. Приймаков, Н.П. Дудин, Т.Г. Данько // Актуальні проблеми фізичної культури і спорту. – 2003. №1. – С.115-123.

13. Судаков К.В. Системные механизмы целенаправленных поведенческих актов /К.В. Судаков// М. – 1977 – 38с. (второе анохинское чтение 27.01.78).