16. Влияние генома на функциональное состояние, работоспособность и здоровье спортсменов

Книга: Физиология человека. Общая. Спортивная. Возрастная

Назад: 14. Физиологические основы спортивной тренировки женщин

15.3. Учет физиолого-генетических особенностей человека в спортивном отборе

Знание степени наследственных влияний на морфофункциональные особенности человека и его физические качества позволяет в ходе спортивного отбора опираться на те показатели, которые в наибольшей степени находятся под генетическим контролем, т. е. являются наиболее протностичными и мало изменяемыми в ходе тренировки.

15.3.1. Учет семейной наследственности в спортивном отборе

В практике спорта известна роль семейной наследственности. По П. Астранду, в 50 % случаев дети выдающихся спортсменов имеют выраженные спортивные способности, многие браться и сестры показывают высокие результаты в спорте (мать и дочь Дерюгины, братья Знаменские, сестры Пресс и др.). Если оба родителя – выдающиеся спортсмены, то высокие результаты у их детей могут быть в 70 % случаев.

Еще в 1930-х годах было показано, что выраженную внутрисемейную наследуемость имеют показатели скорости выполнения теппинг-теста. Если оба родителя по теппинг-тесту попадали в группу «быстрых», то среди детей таких родителей значительно больше было «быстрых» (56 %), чем «медленных» (лишь 4 %). Если оба родителя оказывались «медленными», то среди детей преобладали «медленные» (71 %), а остальные были «средними» (29 %). Оказалось, что внутрисемейное сходство зависит от характера упражнений, особенностей популяции, порядка рождения ребенка в семье.

Более высокие внутрисемейные взаимосвязи присущи скоростным циклическим и скоростно-силовым упражнениям. Изучение архивов в английских закрытых колледжах, где по традиции обучались дети избранных семейств, показало определенное сходство двигательных возможностей детей и родителей в 12-летнем возрасте. Достоверная корреляция была установлена для некоторых морфологических признаков и скоростно-силовых упражнений: длина тела (г = 0,50), бег на 50 ярдов (г = 0,48), прыжки в длину с места (г = 0,78). Однако корреляция отсутствовала для сложнокоординационных движений, таких как метание теннисного мяча, гимнастические упражнения.

Изучению подвергались многие семейные особенности различных функций организма. Исследования сдвигов легочной вентиляции в ответ на недостаток кислорода (гипоксию) и избыток углекислого газа (гиперкапнию) у взрослых бегунов-стайеров показали, что дыхательные реакции находящихся в хорошей спортивной форме бегунов на длинные дистанции и их не занимающихся спортом родственников были практически одинаковы. При этом они достоверно отличались от более высоких сдвигов легочной вентиляции у контрольной группы лиц, не занимающихся спортом.

Некоторые противоречивые данные внутрисемейного исследования морфологических признаков генетики объясняют влияниями популяционных особенностей. Так, например, имеются различия в характере внутрисемейных генетических влияний на длину тела в разных популяциях: в американской популяции самая высокая взаимосвязь выявлена в парах мать – дочь, затем ее снижение в парах мать – сын, отец – сын, отец – дочь; в африканской популяции снижение корреляции отмечено в другом порядке: от пары отец – сын к парам мать – сын, мать – дочь, отец – дочь.

О внутрисемейных взаимосвязях в отношении умственной работоспособности (по показателю коэффициента интеллектуальности) сообщал Г. Айзенк (1989). По скорости осуществления умственных операций и решения интеллектуальных проблем показатели усыновленных детей соответствовали умственным способностям их биологических родителей, но не приемных родителей. Эти факты свидетельствовали о наследственной природе данных способностей.

В результате анализа браков двоюродных сестер и братьев установлено снижение умственных способностей у их детей, что демонстрирует отрицательный генетический эффект в семьях близких родственников.

Генетически зависимыми являются многие морфофункциональные признаки, определяющие спортивные способности человека и передающиеся по наследству от родителей (длина тела и конечностей, размеры и объемы сердца и легких, умственная работоспособность, восприятие пространства, способность различать цвета, звуки, слова и многое другое).

Специальный анализ наследования спортивных способностей человека был проведен Л.П. Сергиенко (1993) в 163 семьях спортсменов высокого класса (15 мастеров спорта, 120 мастеров спорта международного класса, 28 заслуженных мастеров спорта – победителей и призеров Олимпийских игр, чемпионатов мира, Европы и СССР).

Оказалось, что чаще всего (66,26 %) высокие достижения отмечались в смежных поколениях: дети – родители. При этом не было «пропусков» поколений (как в случае рецессивного типа наследования). Отсюда было сделано предположение о доминантном типе наследования.

Было установлено, что у родителей, братьев и сестер выдающихся спортсменов двигательная активность значительно превышала уровень, характерный для людей обычной популяции. Физическим трудом или спортом занимались 48,7 % родителей, в большей мере отцы (29,71 %), чем матери (18,99 %); более активными были братья (79,41 %), чем сестры (42,05 %).

У спортсменов-мужчин не было ни одного случая, когда бы мать занималась спортом, а отец не занимался. У выдающихся спортсменов было гораздо больше родственников мужского пола, чем женского, и родственники-мужчины имели более высокую спортивную квалификацию, чем родственницы-женщины.

Таким образом, у мужчин-спортсменов двигательные способности передавались несомненно по мужской линии. У женщин-спортсменок, в отличие от этого, спортивные способности передавались преимущественно по женской линии.

Выдающиеся спортсмены, специализирующиеся в упражнениях на выносливость, были преимущественно младшими детьми и рождались, как правило, в семьях с двумя или тремя детьми, а в таких видах спорта, как бокс, таэквон-до, это преимущественно первенцы.

Имеется особая закономерность семейного сходства в выборе спортивной специализации: наибольшее сходство выявлено в выборе занятий борьбой (85,71 %), тяжелой атлетикой (61,11 %) и фехтованием (55,0 %); наименьшее сходство в предпочтении баскетбола и бокса (29,4 %), акробатики (28,57 %) и волейбола (22,22 %).

15.3.2. Учет тренируемости спортсменов

Выбор адекватного вида спорта, отвечающего интересам и наличным возможностям человека, еще не гарантирует его высоких спортивных достижений. Значительную роль в росте спортивного мастерства играет так называемая тренируемость или спортивная обучаемость спортсмена, т. е. его способность повышать функциональные и специальные спортивные возможности под влиянием систематической тренировки.

Тренируемость спортсмена обеспечивается в совокупности двумя параметрами:

• степенью прироста различных признаков организма в процессе многолетней спортивной подготовки;

• скоростью этих сдвигов в организме.

Рассмотрим, чем обусловливается степень прироста различных показателей организма спортсмена. Величина изменчивости отдельных функциональных показателей и физических качеств человека зависит от врожденной нормы реакции, т. е. способности генов, контролирующих эти признаки, реагировать на изменение условий индивидуального развития и факторов внешней среды.

Для одних показателей характерна узкая норма реакции; они в среднем незначительно изменяются даже при заметных колебаниях внешних условий, в том числе при длительной тренировке (длина тела, гомеостатические свойства крови, состав мышечных волокон в скелетных мышцах, типологические особенности нервной системы и др.). Другим показателям присуща широкая норма реакции, допускающая значительные изменения в фенотипе (масса тела, количество митохондрий в мышце, показатели внешнего дыхания, многие характеристики кровообращения и др.).

В процессе спортивного отбора необходимо обращать внимание в первую очередь на мало изменяемые показатели, которые имеют наибольшую прогностичность, так как тренировочный процесс их мало затрагивает. Именно эти показатели будут лимитировать спортивные достижения в процессе тренировки.

На протяжении многих лет систематических занятий спортом или профессиональной деятельностью практически не изменяются амплитудно-частотные характеристики электрической активности мозга – электроэнцефалограммы, отражающие генетические особенности человека. Это природные свойства индивида с узкой нормой реакции, которые и следует учитывать уже при начальном отборе. Так, например, при отборе спортсменов ситуационных видов спорта, для которых требуется высокое развитие качества быстроты, предпочтительны индивиды с высокой частотой альфа-ритма ЭЭГ. Исследования ЭЭГ высококвалифицированных баскетболистов показали наличие у них высокой частоты этого ритма покоя 11–12 колеб./с, в то время как у лыжников-гонщиков она составляла всего 9-10 колеб./с. В противоположность этому, под влиянием спортивной тренировки существенно изменяются пространственно-временные отношения корковых потенциалов. В коре больших полушарий возникают специфические системы взаимосвязанной активности, отражающие особенности формируемых двигательных навыков в избранном виде спорта.

Рис. 39. Количество медленных мышечных волокон (I типа) в скелетных мышцах человека, адекватное для работы различной продолжительности

Эти особенности отражают уровень функциональной подготовленности спортсменов и их следует учитывать на более высоких этапах отбора.

Важным прогностическим признаком является композиция (состав) волокон скелетных мышц (рис. 39). В ходе многолетних занятий спортом у человека отсутствует изменение характерного для него числа медленных и быстрых мышечных волокон, что позволяет отнести этот показатель к числу учитываемых при начальном отборе. Исследования композиции мышечных волокон четырехглавой мышцы бедра показали, что в среднем у людей наличие медленных (окислительных) волокон I типа составляет 50–60 % от числа всех волокон в данной мышце. Так, например, при длительной тренировке в академической гребле присущие отдельным индивидам соотношения волокон не изменяются. У гребцов низкой квалификации (I юношеского разряда и I взрослого разряда) количество медленных волокон в четырехглавой мышце бедра составляет 44–82 % и у спортсменов высокой квалификации (кандидатов в мастера спорта и мастеров спорта) оно находится в тех же пределах: 47–73 %. Вместе с тем имеются субпопуляции (небольшие группы населения) со значительным преобладанием медленных или быстрых волокон. Среди первых следует искать будущих стайеров, а среди вторых – спринтеров.

Аналогично этому, в отношении аэробных возможностей имеются отдельные индивиды с широкой нормой реакции, другие – с узкой нормой реакции по одному и тому же показателю (величине МПК). Прирост этого показателя у них в процессе тренировки сильно отличается от среднепопуляционных значений – обычно у большинства людей прирост МПК в среднем составляет около 30 % от исходного уровня. Близнецовые исследования канадских ученых выявили генетическую зависимость тренируемое™ при выполнении одинаковой аэробной работы на велоэргометре. У одних индивидов повышение величины МПК достигало за 15-недельный тренировочный цикл 60 % и более, таких насчитывалось примерно 5-10 %, а у других прирост за тот же период оказался менее 5 %, их было всего 4 % от наблюдавшихся лиц. Эти индивидуальные особенности являются врожденными.

В процессе многоступенчатого отбора можно выделять группы спортсменов с гипокинетическим типом реагирования на физические нагрузки (их примерно насчитывают около 21 %) и с гиперкинетическим типом реагирования (26 %), которые показывают более высокий тренировочный эффект по сравнению с гипокинетической группой.

Примерно такое же количество высокотренируемых спортсменов обнаружено среди представителей ситуационных видов спорта, обладающих наиболее мощными и высокомобилизуемы-ми аэробными и анаэробными возможностями: среди волейболисток – 10 %, баскетболисток – 18 %, футболистов – 33 %.

Исследования тактического мышления у высококвалифицированных баскетболистов позволили по степени увеличения способности к переработке информации при решении тактических задач выделить три группы спортсменов (Сологуб Е.Б., Бедрина З.Ю., 1990):

• баскетболисты с высокой способностью к обучению (30 % от всех наблюдавшихся спортсменов), которые показали за 12 тренировочных занятий прирост пропускной способности мозга (С) на 1,8 бит/с (при среднем исходном уровне пропускной способности во время игровой деятельности С = 2 бит/с);

• баскетболисты со средним уровнем обучаемости (44 % спортсменов), прирост С = 1,5 бит/с;

• баскетболисты с низким уровнем обучаемости (26 %), прирост С = 1,2 бит/с.

Определены информативные психофизиологические показатели для отбора спортсменов-баскетболистов с высокой обучаемостью к решению тактических задач. Они характеризуются низкой тревожностью, высокой критичностью в оценке самочувствия и настроения и высокой избирательностью и концентрацией внимания.

Из всех полученных данных можно заключить, что наряду с основной массой людей, обладающих средними показателями прироста морфофункциональных показателей и спортивных достижений, имеются группы лиц (примерно 10–30 %) с высоким или с низким уровнем прироста этих показателей при тренировке.

Поиск высокотренируемых лиц представляет главную задачу при спортивном отборе, для чего необходима разработка информативных физиологических, морфологических, психофизиологических и психологических параметров для каждого избранного вида спорта.

Рассмотрим вопрос о скорости развития адаптации к избранному виду спорта. В школе дифференциальной психологии Теплова-Небылицина было выдвинуто представление о свойстве динамичности или обучаемости как первичном свойстве нервной системы – одном из важнейших врожденных свойств, наряду с силой, подвижностью и лабильностью нервных процессов. Обучаемость понималась как скорость образования условных рефлексов.

Развитие учения П.К. Анохина о функциональной системе изменило и представление об обучаемости. По определению В.М. Русалова (1989), динамичность или обучаемость – это быстрота формирования новой функциональной системы в организме. В адаптологии возникло представление о формировании в процессе спортивной тренировки функциональной системы адаптации спортсмена к нагрузкам и о роли скорости адаптации (Солодков А.С., 1988).

При этом степень перестройки функций ограничивается генетически определенной нормой реакции каждого человека, т. е. пределами изменчивости различных признаков организма, а скорость – специальными (темпоральными) генами, контролирующими изменение признаков во времени (Джедда Л., 1971; Никитюк Б.А., 1988; и др.).

У каждого индивида активность этих генов имеет собственную хронологию, т. е. систему отсчета времени. Она определяет индивидуальную скорость роста и развития организма, время и продолжительность считывания генетической информации в клеточных ядрах и синтез в клетках необходимых белков, моменты включения и выключения активности отдельных генов, время наступления критических и сенситивных периодов развития отдельных признаков, длительность их протекания, темпы функциональной активности различных систем организма, скорость обучения человека и другие временные параметры жизнедеятельности. Например, переходный период у одних подростков протекает на протяжении 5–6 лет, а у других за 1,5–2 года. Исследования на близнецах показали генетическую природу обучаемости: при использовании специальных тестов (соединять пары цветных фигур за 30 с) у однояйцевых близнецов скорость освоения оказалась одинаковой, а у двуяйцевых близнецов имелись достоверно большие различия.

Следовательно, высокотренируемые и низкотренируемые спортсмены различаются не только по величине сдвига работоспособности, физических качеств и функциональных показателей, но и по скорости изменений всех этих показателей, а соответственно и по времени достижения высоких спортивных результатов. Величина и скорость развития тренировочных эффектов являются независимыми переменными.

По выраженности этих факторов выделяют четыре варианта тренируемости (Коц Я.М., 1986):

• высокая быстрая тренируемость;

• высокая медленная тренируемость;

• низкая быстрая тренируемость;

• низкая медленная тренируемость.

Наличие таких индивидуальных физиолого-генетических особенностей обусловливает необходимость многоступенчатого отбора в процессе многолетней спортивной тренировки.

15.4. Значение генетически адекватного и неадекватного выбора спортивной специализации, стиля соревновательной деятельности и сенсомоторного доминирования

Для успешного развития тренированности спортсменов в плане отбора и прогноза необходимы два фактора:

• адекватный для генетических задатков выбор спортивной специализации, стиля соревновательной деятельности, ведущей руки и ноги спортсмена;

• многоступенчатый отбор на каждом этапе многолетней подготовки, с учетом генетически присущей спортсмену скорости адаптации к специализированным нагрузкам.

Лишь сочетание обоих этих факторов в совокупности может обеспечить высокие результаты на уровне спорта высших достижений и сохранение здоровья спортсмена. Основой для суждения о тренируемости в различных видах спорта являются уже достаточно известные информативные морфофункциональные и психофизиологические критерии.

Между высокотренируемыми и низкотренируемыми спортсменами возможны значительные различия по времени достижения одних и тех же уровней спортивного мастерства (рис. 40). Так, нормативы мастера спорта высокотренируемые тяжелоатлеты-гиревики выполняют почти на 1,5 года быстрее, чем низкотренируемые спортсмены (соответственно 3,76 и 4,83 года), дзюдоисты-женщины – на 2 с лишним года быстрее (соответственно 5,60 и 7,83 года), а дзюдоисты-мужчины – более чем на 2,5 года быстрее (6,50 и 9,17 года), считая от исходного уровня.

Высокая тренируемость, сокращая время подготовки высококвалифицированного спортсмена, обеспечивает не только выполнение биологической задачи (сохранения его здоровья) и социальной задачи (победы на соревнованиях), но и позволяет достичь высокого экономического эффекта тренировочного процесса, сокращая расходы на оплату труда тренеров, аренду помещения и пр. Фактор времени имеет огромное значение и для личной жизни спортсмена.

Рис. 40. Время достижения высокого уровня спортивного мастерства (квалификации мастера спорта) у высокотренируемых и низкотренируемых спортсменов (по данным разных авторов)

Неадекватный выбор вида спортивной деятельности сопровождается формированием нерациональной функциональной системы адаптации с большим числом лишних, неэффективных и даже нецелесообразных внутрисистемных и межсистемных взаимосвязей (например, между спортивно-важными качествами), напряжением адаптационно-компенсаторных механизмов, затруднением восстановительных процессов, медленным развитием тренированности, недостаточно успешным выступлением на соревнованиях, достижением менее высокого уровня спортивного мастерства, неутешительным прогнозом перспективности и, наконец, остановкой роста спортивного мастерства в связи с исчерпанием генетического резерва организма.

К сожалению, в практике довольно часто встречаются случаи неадекватного выбора вида спорта, стиля соревновательной деятельности (атакующий или контратакующий) и ведущей конечности спортсмена.

Например, у фехтовальщиков часты случаи, когда вооруженная рука является неведущей, т. е. хуже управляемой (рис. 41). Это явно тормозит рост спортивного мастерства, так как чем выше спортивная квалификация фехтовальщиков, тем меньше оказывается среди них спортсменов с таким неадекватным выбором.

Рис. 41. Адекватность выбора вооруженной руки у фехтовальщиков

Среди борцов-самбистов около половины спортсменов пользуются неадекватным стилем соревновательной деятельности, не соответствующим их врожденным типологическим особенностям, причем 20 % из них борются стилем противоположным. Вследствие этого замедляются темпы овладения спортивной техникой, ухудшаются спортивные результаты, увеличивается время выполнения нормативов спортивных разрядов. Независимо от атакующего или контратакующего стиля, использование «своего» стиля увеличивает скорость роста спортивного мастерства, и различия оказываются тем больше, чем выше спортивная квалификация. Например, у борцов-самбистов время выполнения нормативов I разряда при выборе «своего» стиля по сравнению с выбором «чужого» стиля меньше почти на полтора года (соответственно 4,0 и 5,4 года), выполнения нормативов кандидатов в мастера спорта – короче более чем на 2 года (5,0 и 7,2 года), а нормативов мастера спорта – меньше на 5 с лишним (!) лет (6,0 и 11,2 года).

Среди спортсменов ситуационных видов спорта (боксеров, волейболистов, баскетболистов и др.) выявлены значительные различия между спортсменами атакующего и контратакующего стиля по многим психофизиологическим показателям.

Так, у атакующих боксеров по сравнению с контратакующими достоверно короче временные параметры сенсомоторных реакций и тактического мышления, выше показатели теппинг-теста и силы мышц, в предрабочей ЭЭГ более высокий уровень преднастройки (синхронизации корковой активности), а во время парного взаимодействия с соперником в ЭЭГ формируется более асимметричная система управления движениями, включающая нижнетеменные, зрительные и моторные области левого полушария (условно «система восприятия»), при обучении с электромиографической обратной связью менее выражен прирост способности к произвольному управлению мышечными усилиями.

У контратакующих боксеров – более симметричная система взаимосвязанной активности в коре больших полушарий с ведущей ролью переднелобных областей («система принятия решений»), более высокий коэффициент интеллектуальности в словесном тесте Г. Айзенка, при обучении с ЭМГ-обратной связью более успешно происходит совершенствование мышечного чувства и точности воспроизведения заданных усилий.

Аналогичные данные, полученные на спортсменах волейболистах, баскетболистах, футболистах и фехтовальщиках, позволяют отнести атакующих (нападающих) спортсменов к лицам с невербальным мышлением («художественному» типу, по И.П. Павлову), а контратакующих (защитников) – к лицам с вербальным мышлением («мыслительному» типу).

Как оказалось, в группах спортсменов атакующего или контратакующего стиля насчитывается примерно 2/3 спортсменов, адекватно выбравших стиль соревновательной деятельности, соответствующий их врожденным индивидуально-типологическим особенностям, и около 1/3 спортсменов с неадекватным выбором, которые, по-видимому, компенсируют этот выбор другими функциональными возможностями организма (табл. 15).

Таблица 15

Количество (%) высококвалифицированных боксеров атакующей и контратакующей манеры ведения боя, выбравших адекватный и неадекватный для врожденных индивидуально-типологических особенностей стиль соревновательной деятельности

(по: Е.Б. Сологуб, 1986; В.А. Таймазов, 1986)

Неадекватный выбор стиля особенно значительно затрудняет рост мастерства у атакующих спортсменов, имеющих именно те качества, которые находятся под наибольшим генетическим контролем – скоростные свойства нервной системы и двигательного аппарата. Например, доля атакующих боксеров в спорте высших достижений, выбравших неадекватную манеру ведения боя, сокращается с 36 % (в группе спортсменов I разряда) до 25 % (в группе мастеров спорта и мастеров спорта международного класса).

Дифференциация спортсменов по физиолого-генетическим особенностям создает основу для различного педагогического подхода к их обучению (использование преимущественно методов показа, прочувствования движений для атакующих спортсменов и методов рассказа, объяснений, самоотчетов – для контратакующих), правильного подбора упражнений, выбора адекватного стиля, создания алгоритмов прогнозирования и моделирования успешности соревновательной деятельности.

15.5. Использование генетических маркеров для поиска высоко– и быстротренируемых спортсменов

В практике спорта эффективность отбора обычно превышает 50–60 %. Хотя отмечалось, что предсказание перспективности спортсменов более, эффективно, чем предсказание неперспективное™, Даже у опытных тренеров с использованием комплекса современных методов прогнозных решений она не более 70–80 %.

Современные методы спортивной генетики позволяют избежать многих ошибок в этом плане. В настоящее время достигнуты определенные успехи в поиске генов предрасположенности к мышечной деятельности аэробного характера. Учитываются влияния генов, переключающих жировой обмен с образования белого жира, откладывающегося про запас, не преимущественное образование бурого жира, обеспечивающего двигательную активность человека. Однако выделение отдельных генов или их комплексов – чрезвычайно трудоемкий и пока мало разработанный процесс. Для практики спорта особую важность все более приобретает использование в отборе так называемых маркеров, отражающих наследственные задатки отдельных индивидуумов.

Генетическим маркером называют легко определяемый, устойчивый признак организма, жестко связанный с его генотипом, по которому можно судить о вероятности проявления другой, трудно определяемой характеристики.

К основным их свойствам относят следующие:

– жесткая генетическая обусловленность (их коэффициент наследуемости порядка Н= 1,0);

– полное проявление в последующих поколениях;

– хорошая выраженность (высокая экспрессия);

– малая зависимость от факторов внешней среды;

– практическая неизменность на протяжении различных периодов жизни.

С помощью генетических маркеров возможно выявление генетических задатков даже у малолетних детей, для которых нельзя использовать тесты, разработанные для взрослых людей. Выявленные маркерами задатки человека, характеризуя возможные его способности, сохраняют свое влияние на всю последующую жизнь. Для практического удобства было предложено различать маркеры абсолютные и условные.

Абсолютные маркеры характеризуются наиболее высокой наследуемостью (их коэффициент Н приближается к 1,0).

К ним относят: группы крови (системы ABO, ΜΝ и др.), скорость возникновения некоторых вкусовых ощущений, показатели кожных узоров пальцев (дерматоглифы), формы зубов (одонтоглифы), особенности хромосомных наборов и др.

Условные маркеры менее обусловлены наследственно (их Н = 0,80-0,95). К ним относятся: соматотип человека, его темперамент (тип высшей нервной деятельности), доминирование правого или левого полушария, особенности сенсорной и моторной функциональной асимметрии и тип индивидуального профиля асимметрии, соотношение быстрых и медленных мышечных волокон в скелетных мышцах, гормональный статус и др.

Использование генетических маркеров позволяет значительно расширить возможности и точность прогнозирования и отбора в спорте, особенно на начальных его этапах. Раннее начало занятий многими видами спорта (гимнастика, фигурное катание, плавание, прыжки в воду и др.) не позволяет у детей 5-6-летнего возраста различить спортивно-важные качества, характерные для взрослых спортсменов в избранном виде спорта, так как они еще не сформированы на данном этапе онтогенеза.

С целью спортивной ориентации и отбора генетические маркеры можно использовать в двух основных направлениях: 1) поиск спортсменов с адекватными для данного вида спорта признаками организма; 2) отбор среди них не только спортсменов с высокой, но и с быстрой тренируемостью в избранном виде спорта.

Для каждого тренера важно не только подготовить спортсмена высокого класса, но и сделать это без вреда для его здоровья и с наименьшими затратами времени. В связи с этим особую ценность в настоящее время приобретает выявление наиболее информативных генетических маркеров, позволяющих дифференцировать спортсменов по их тренируемости в каждом отдельном виде спорта, т. е. отличить высоко– и быстротренируемых от высоко– и медленнотренируемых, низко– и быстротренируемых и, тем более, низко– и медленнотренируемых спортсменов.

Так, например среди юных спортсменов, специализировавшихся в таэквон-до и занимавшихся у одного тренера по одной и той же методике на протяжении 10 лет, лишь часть достигла уровня черного пояса, а некоторые выполнили лишь нормативы низкого разряда, т. е. отстали на 6 лет подготовки.

При этом установлено, что наиболее информативными показателями – абсолютными и условными генетическими маркерами, позволяющими определить спортсменов-таэквондистов в группу высоко– и быстротренируемых (в отличие от группы низко– и медленнотренируемых) являются следующие:

• спортивно-педагогические: достижение более высокого уровня квалификации при затрате в среднем на 3–4 года меньше на выполнение нормативов одного и того же уровня по сравнению с низко– и медленнотренируемыми;

• генеалогические (анализ родословных): высоко– и быстро-тренируемые таэквондисты имеют достоверно больше родственников-спортсменов, в том числе единоборцев, и являются практически исключительно первенцами по порядку рождения в семье;

• морфологические: отличительным признаком является достоверно меньшая доля жирового компонента в составе тела, большая обезжиренная масса, а также принадлежность к морфотипу долихоморфов;

• принадлежность к определенной группе крови системы АВО: преобладание III(В) группы крови, достоверно меньшая встречаемость 1(0) группы крови и отсутствие со II (А) и IV(AB) группой (принадлежность ко П(А) группе крови достоверно характеризует лишь спортсменов с низкой и медленной тренируемостью);

• показатели физических качеств: достоверно большая быстрота в теппинг-тесте и большая мышечная сила рук, особенно правой руки;

• физиологические показатели: более высокие анаэробные возможности (достоверно большая длительность задержки дыхания на вдохе и на выдохе) и специфика функциональной асимметрии – доминирование правой руки, правой ноги, правого глаза и, соответственно, достоверное преобладание одностороннего (правого) индивидуального профиля асимметрии;

• психофизиологические и психические характеристики темперамента и личностных особенностей: достоверное преобладание экстравертов, более высокий уровень нейротизма, большая выраженность холерического темперамента и отсутствие флегматиков, а также более высокая субъективная оценка самочувствия.

Выявление подобных информативных комплексов генетических маркеров для отдельных видов спорта позволит разработать более эффективные технологии спортивного отбора высоко-и быстротренируемых спортсменов. При этом важно выявлять в каждой специализации быстро тренируемых спортсменов. Обнаружено, что такой информативный маркер, как групповая принадлежность крови, позволяет дифференцировать спортсменов по скорости обучения в различных видах единоборств. В требующем особой быстроты боксе среди быстротренируемых высококвалифицированных спортсменов достоверно преобладают лица с 1(0) группой крови (и отсутствуют лица со П(А) и IV(AB) группой); в таэквон-до, отличающемся высокой координацией и ловкостью, быстротренируемые спортсмены – это главным образом лица с 111(B) группой (лица со 11(A) и IV(AB) группой также отсутствуют); в кикбоксинге, для которого важна хорошая специальная выносливость, среди быстротренируемых спортсменов преимущество имеют Лица со 11(A) группой, а среди медлен-нотренируемых – лица с 1(0) группой крови.

В 1953 г. нобелевские лауреаты Ф. Крик и Д. Ватсон (США) расшифровали генетический код наследственной информации. В конце XX века во многих странах основным направлением генетических исследований стало изучение структуры и функций ДНК у человека. В результате проведенной работы был открыт геном человека, который представляет собой всю совокупность генетической информации, содержащейся в хромосомах. Нобелевские премии в области естественных наук в последние годы чаще присуждаются по генетике.

16.1. Хранение, передача наследственной информации и расшифровка генома

Наследственные признаки передаются с помощью двух основных молекул – дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК). ДНК содержится в клеточных ядрах и является носителем генетической информации, а РНК служит для передачи информации. Это огромные молекулы с молекулярной массой от 10 тыс. до нескольких миллионов атомных единиц.

ДНК представляет собой спираль из двух цепочек, каждая из которых состоит из последовательности более простых соединений – так называемых оснований, или нуклеотидов. Имеется 4 вида этих базовых элементов ДНК – аденин, гуанин, цитозин и тимин (см. рис. 42). В различных сочетаниях они сгруппированы по три основания в так называемые триплеты. Такие триплеты являются основным кодом генетической информации. Каждый триплет несет информацию об одной аминокислоте, а их различные сочетания обеспечивают включение всех 20 аминокислот в синтезируемые белки или ферменты.

Рис. 42. Схема структуры ДНК.

Парные структуры ДНК с основаниями: А – аденин. С – цитозин, G – гуанин, Т – тимин

Созданные образования под контролем триплетов лежат в основе функциональных единиц наследственной информации генов. Ген – участок ДНК с определенной последовательностью оснований, который содержит информацию об элементарном признаке. В каждой клетке организма имеется весь набор генов. Гены расположены линейно в специальных образованиях – хромосомах. Непрерывная двойная спираль ДНК, содержащая гены, проходит по всей длине хромосом.

Хромосомы сгруппированы попарно, поэтому их число всегда четное. В каждой паре хромосомы имеют сходную форму и размеры. Число хромосом постоянно для каждого вида живых существ. У человека в ядрах клеток содержится 23 пары, или 46 хромосом.

Хромосомы подразделяют на две группы:

1) аутосомы – попарно идентичные и одинаковые у мужчин и женщин, их 22 пары;

2) половые хромосомы – 23-я пара, содержащая в женском организме две одинаковые хромосомы (XX), а в мужском – две различные хромосомы (ΧΥ).

Выполненные в последние годы исследования генетиками многих стран (в том числе и российскими) привели к расшифровке генома человека. В хромосомах генома содержится весь наследственный фонд организма. Заложенная в нем информация огромна. Если допустить различия в каждой хромосоме всего по одному гену, а в паре соответственно по двум вариантам этого гена, то возможное количество закодированных в геноме комбинаций признаков превысит 8 миллионов.

Данные последних исследований свидетельствуют о том, что в геноме человека содержится более трех миллиардов последовательностей оснований, а число структурных генов в геноме превышает 20 тысяч. Наряду со структурными генами, в ДНК расположены и другие их виды (регуляторные, модуляторные). Структурные гены определяют морфофункциональные особенности организма, синдромы различных генетических заболеваний, пороки развития и пр.

В настоящее время активно изучается и другая форма наследственности, о которой ранее не было известно. Установлено, что в организме человека, помимо наследственной информации, передаваемой ДНК, которая находится в ядрах клеток, существует наследственная информация, заключенная в ДНК специальных органелл клетки – митохондриях.

Митохондральная ДНК имеет ряд особенностей:

• митохондральная наследственность передается только по материнской линии через митохондрии яйцеклетки;

• происходящие в результате мутаций изменения в митохондральной наследственности закрепляются в ней для передачи по наследству крайне редко (лишь 1 раз в 10 тыс. лет);

• при генетическом анализе митохондральной ДНК следует учитывать взаимный обмен между генами и их признаками, а также участками различных хромосом.

Генетиками установлен ряд достоверных закономерностей, связанных с детерминацией наследуемых признаков организма, а полученные при анализе генома человека данные оказались весьма важными в прикладном отношении. Российский генетик академик С.Г. Инге-Вечтомов считает, что расшифровка генома человека по своей значимости для человечества превосходит полет на Луну. Исследования генома позволили создать новые научные направления в развитии генетики: эволюционная, молекулярная, медицинская, популяционная, спортивная генетика и другие ее виды.

Одним из весьма существенных для практического использования направлений генетических исследований является изучение стволовых клеток.

Стволовые клетки это зародышевые недифференцированные клетки организма, в которых еще высока активность генов и из которых могут развиваться различные специализированные клетки (даже клетки центральной нервной системы). Стволовые клетки имеются в организме эмбрионов, а также в некоторых органах и тканях взрослого человека.

Подобные клетки обнаружены в головном мозгу – в области мозговых желудочков. Здесь они зарождаются, размножаются, а затем перемещаются в кору больших полушарий, где превращаются в зрелые нейроны. Этот процесс может осуществляться во взрослом состоянии. От него зависят замедление старения мозга, потери памяти и возможность предотвращения старческого слабоумия (болезни Альцгеймера).

Стволовые клетки находятся также в зародышевом слое, окружающем волокна скелетных мышц. Они продуцируют клеточные ядра, которые используются для последующего формирования новых миофибрилл и развития гипертрофии мышц. Аналогичные клетки костной ткани обеспечивают рост костей и процесс кроветворения.

Использование стволовых клеток, таким образом, открывает новые перспективы в восстановлении утраченных функций некоторых органов, в замедлении старения организма, при лечении сахарного диабета, паркинсонизма и других болезней.

Из-за криминального получения эмбриональной ткани (похищения детей, необоснованные аборты и др.) работы со стволовыми клетками в ряде стран запрещались. Недавно стволовые клетки были обнаружены в околоплодных водах, что исключает возможность использования зародышей. Кроме того, в настоящее время разработаны биотехнологии специального клонирования и выращивания стволовых клеток, которые позволят преодолеть названные ограничения.

Открытие специфических закономерностей ДНК дает возможность понять механизмы старения клеток и тканей, преодоления срока их жизнеспособности, а также безостановочного роста злокачественных образований. Можно полагать, что генетика находится на пути продления жизни человека.

Новыми направлениями в прикладной генетике являются:

– использование генетических данных для идентификации личности;

– выявлена наследственная природа около 10 тыс. различных заболеваний, что открывает новые подходы в лечении людей;

– разработаны новые, генетически адекватные лекарственные средства (фармакогенетика);

– на практике осуществлена возможность рождения младенцев заданного пола;

– обнаружены гены нетрадиционной половой ориентации (гомосексуализм);

– найдены гены, способствующие развитию алкоголизма у людей, и др.

Многочисленны достижения генетики в животноводстве и сельском хозяйстве: клонирование высокопородных лошадей и коров; выведение ценных сортов фруктов, ягод, злаковых культур, устойчивых к резким колебаниям температуры, заболеваниям и сорнякам.

16.2. Генетические маркеры ДНК в спорте

После расшифровки генома человека и разработки сложнейших биотехнологий анализа ДНК появилась возможность изучать и использовать в прикладных целях свойства отдельных генов, производимых ими ферментов и белков, а также комплексов генов, определяющих формирование необходимых признаков организма. Эти особенности генома в последние годы находят достаточно широкое применение в спорте.

16.2.1. Использование маркеров ДНК для отбора в спорте

Для спортивной практики весьма важной оказалась разработка генетических маркеров, связанных с генами, детерминирующими спортивно-важные качества организма. С использованием генетических маркеров значительно облегчается поиск спортивных талантов, задачи отбора и прогнозирования в спорте.

Было выяснено, что даже для группы родственных видов спорта характерны существенные различия в наборе таких качеств и соответственно комплексов генетических маркеров. Например, в родственных видах единоборств различные требования предъявляются к организму спортсмена в специализациях бокс, кикбоксинг, таэквон-до. Установлено, что быструю и высокую тренируемость в этих видах можно предположить по наличию различных комплексов генетических маркеров. Так, для бокса, в котором особенно высокие требования предъявляются к качеству быстроты, наиболее одаренных спортсменов следует искать среди детей, имеющих 1(0) группу крови и первенцев по рождению в семье.

Но в специализацию кикбоксинг, где наряду с высокими скоростными качествами требуется большая скоростно-силовая выносливость, важно находить юные дарования среди младших детей со II (А) группой крови.

Аналогично этому показано, что в силовых видах спорта также имеются существенные различия в отдельных специализациях. Так, предрасположенность к тяжелой атлетике, где наряду с большой абсолютной силой требуется проявление взрывной сипы, связана с одними генетическими маркерами, а к гиревому спорту, где наряду с абсолютной силой мышц нужна хорошая силовая выносливость, – другие маркеры (Рогозкин В.А. и др., 2000).

Значительное влияние наследственных особенностей на предрасположенность к определенным физическим нагрузкам проявляется даже для целых популяций населения. Известно, что все ведущие спринтеры мира происходят из Западной Африки – ими завоевано 494 медали из 500 медалей на дистанции 100 м. Они доминируют также в международном боксе.

Черные афроамериканцы, выходцы из этих мест, составляют в США около 13 % всех суперэлитных атлетов, в баскетболе -90 %, в футболе – 70 % и около 30 % – в бейсболе. В Великобритании эти спортсмены составляют около 20 % лучших атлетов и столько же всех футболистов. Однако они совершенно не приспособлены к работе на длинных и сверхдлинных дистанциях, так как у них на 15 % меньше объем легких по сравнению с белыми спортсменами и недостаточное количество медленных волокон в скелетных мышцах.

В противоположность им чернокожие выходцы из Восточной Африки – прирожденные стайеры. Так, например, кенийцы доминируют на длинных дистанциях. При этом самый быстрый из них пробегает 100 м за 10,28 с и имеет всего 500-й ранг в списке спринтеров. Белые европейцы и восточные американцы лучше приспособлены к работе на длинных дистанциях, но 100 м никогда не пробегали меньше, чем за 10 с.

Белые афроазиаты имеют в среднем большую силу мышц верхнего плечевого пояса. Они преуспевают в борьбе, метаниях спортивных снарядов, подъеме штанги. В метаниях диска и молота ими завоевано 46 из 50 медалей.

Приведенные материалы свидетельствуют о преобладающем вкладе генетических особенностей в процесс адаптации к различным видам спорта. Знание таких особенностей – основа успешности тренировочного процесса. Условия внешней среды также оказывают заметное влияние в этом направлении, но их вклад оценивают в 20–25 %, отдавая предпочтение наследственным задаткам.

Исследования генетических основ спортивных успехов ведутся весьма интенсивно. Большое внимание уделяется также выявлению генетических маркеров, которые более доступны для массового практического использования. Такие исследования ведутся в России и других странах. В современных условиях появилась возможность от более простых и легко доступных маркеров спортивной успешности перейти к использованию непосредственных особенностей ДНК, указывающих на предрасположенность к определенным физическим нагрузкам.

Одним из важнейших достижений явилось обнаружение связи определенных генов с ростом спортивных достижений. Среди них специальное внимание привлек ген, контролирующий деятельность сердечно-сосудистой системы человека и определяющий предрасположенность спортсмена к физическим нагрузкам различного характера.

Впервые X. Монтгомери с соавторами (1999) описал связь разновидностей гена особого фермента (ген ангиотензинконвертирующего фермента – АКФ), который детерминирует просвет сосудов и связан со спортивными результатами. Этот ген имеет у человека две разные формы. Возможность проявления разных форм с различными свойствами у одного и того же гена называется полиморфизмом.

Уменьшение активности АКФ сопровождается расширением просвета сосудов. Спортсмены, имеющие в своем геноме данный вариант гена, могут в процессе выполнения работы субмаксимальной и большой мощности иметь максимальное для них потребление кислорода, чему способствует значительный рост кровотока через работающие мышцы. Следовательно, можно прогнозировать возможность достижения ими высоких спортивных результатов при беге на средние и длинные дистанции.

Изложенные материалы предоставляют в распоряжение тренеров, педагогов, спортивных врачей и других специалистов, работающих в области физической культуры и спорта, новые возможности для отбора и ориентации начинающих спортсменов, а также для отбора на всех этапах спортивного совершенствования.

Поиски новых генов, определяющих предрасположенность к физической активности различного характера и вида, постоянно продолжаются. За последние годы обнаружено 9 новых генов, детерминирующих успешную спортивную деятельность. Однако достижения ученых нередко используются для применения различных допингов в спорте, что приводит к печальным последствиям прежде всего для спортсменов.

16.3. Генетические допинги в спорте

В 1990 г. впервые появилась возможность осуществлять генную терапию. Начались попытки заменять с помощью этой терапии отсутствующие или патологически измененные органы и ткани, например, при лечении мышечной дистрофии или остеопороза. Затем появилась идея использовать подобные приемы для компенсации возрастных изменений у здорового человека с целью улучшения характеристик мышечной и костной ткани.

Успехи в этом направлении породили искушение перенести приемы генной терапии в спортивную деятельность. Появился генетический допинг, т. е. использование копии гена с целью изменения морфофункциональных признаков организма ради достижения высших спортивных результатов. Различные допинги, известные в настоящее время, направлены на улучшение характеристик крови, наращивание мышечной массы, изменения состава мышечных волокон и т. п. Их введение в организм используется для повышения мышечной силы, быстроты и выносливости спортсменов.

16.3.1. Допинги в прошлом и настоящем

Победители древних Олимпийских игр не только прославлялись, но и щедро вознаграждались. В пересчете на современный курс валют чемпион-олимпионик в Древней Греции получал за победу примерно 0,5 млн долларов. Не удивительно, что постоянно делались попытки тем или иным способом улучшить достижения спортсменов, в том числе с помощью допинга.

Термин допинг происходит от нидерландского слова «доп». Этим словом обозначался несложный алкогольный напиток, который изготовлялся в Южной Африке индейцами зулу из кожуры винограда и предназначался для повышения способности к танцам и боевым сражениям.

В Древней Греции использовались в качестве допингов различные стимулирующие экстракты из грибов и семян растений. В Древнем Риме гладиаторы для успешных сражений употребляли различные лекарственные средства (типа амфетамина).

С прекращением древних Олимпийских игр и до последующего их возобновления в XIX в. потребность в допингах практически отсутствовала. Впервые следы допинга были обнаружены у британского велосипедиста в 1886 г. – многие велосипедисты принимали стрихнин, алкоголь, героин, кокаин и другие вещества.

Особенный расцвет использования нелегальных средств пришелся на XX в. Уже в начале этого века на Олимпийских играх 1904 г. американские марафонцы принимали особую смесь из сырых яиц, стрихнина и брынзы.

В 1920-х годах начали высказываться мнения о необходимости исключения допингов из спортивной деятельности. Однако в 1950-х годах началось широкое использование анаболических стероидов (аналогов мужских половых гормонов). Стероидные гормоны действуют на мышечные рецепторы, находящиеся внутри клеток. Гормоны прикрепляются к рецепторам и переносятся ими к ядрам клетки. В ядерных ДНК гормоны стимулируют активность специальных генов, ответственных за образование мышечных белков. Такой эффект наблюдается только при силовой тренировке, так как при отягощениях в мышечных волокнах происходит увеличение количества мышечных стероидных рецепторов и соответственно растет доставка анаболиков в ДНК клеточного ядра. В результате происходит особенное наращивание мышечной массы и заметное повышение силы спортсменов.

Вскоре, однако, выяснились отрицательные последствия применения анаболических стероидов, особенно для подростков. В мужском организме снижалась выработка собственных половых гормонов (тестостерона), развивалась импотенция, доходило до полного бесплодия. В женском организме происходила перестройка по мужскому типу, нарушалась регулярность менструаций, вплоть до полного их прекращения и нарушения детородной функции. Если прием анаболиков прекращался, эти изменения проходили. Несмотря на данные о пагубном для здоровья действии анаболиков, участники Олимпийских игр в 1964 г. поголовно использовали анаболические стероиды. В 1960-х годах многие НОК и спортивные федерации начали запрещать допинги, была разработана первая программа по контролю за их приемом и наконец в 1967 г. МОК ввел запрет на использование допингов. В 1974 г. был разработан тест на обнаружение анаболических стероидов. За 1970-е годы большая часть высококвалифицированных спортсменов, выступавших в силовых видах спорта, была дисквалифицирована.

Значительное распространение получило также использование в качестве допинга амфетаминов, прием которых также был запрещен. За 34 года, прошедшие с момента запрета допингов, введенного МОК в 1967 г., и до 2001 г., более 50 спортсменов потеряли свои медали в результате тестов на наличие в организме амфетаминов (в том числе за использование допинга на Олимпиаде 1988 г. в Сеуле знаменитый канадский спринтер Бен Джонсон был лишен золотой медали, полученной за победу на дистанции 100 м).

В ходе поисков иных путей нелегального повышения работоспособности спортсменов специалисты пришли к мысли изменять состав крови, обеспечив тем самым повышение уровня потребления кислорода в процессе спортивной деятельности. С 1970 г. начал применяться новый тип допинга – переливание собственной крови (аутогемотрансфузия). У спортсмена забирали 400 мл крови, которую ему вливали обратно через две недели. За эти две недели организм спортсмена восстанавливал исходное количество гемоглобина, а после обратного вливания уровень гемоглобина оказывался заметно повышенным. Это приводило к существенному увеличению доставки кислорода к скелетным мышцам и повышению выносливости спортсмена. Метод аутогемотрансфузии был запрещен лишь в 1986 г.

Но к этому времени была разработана еще одна разновидность кровяного допинга, связанного со стимуляцией кроветворения (гемопоэза). Регуляция синтеза красных кровяных телец крови – эритроцитов (переносящих кислород от легких к тканям) – обеспечивается ферментом эритропоэтином. Это вещество постоянно имеется в крови в определенных количествах. Дополнительное его введение спортсмену увеличивает содержание в крови эритроцитов и соответственно величину потребляемого кислорода. Таким способом повышается выносливость спортсменов в преодолении стайерских дистанций. Данный способ был запрещен в 1990 г. Однако использование его продолжалось, так как обнаружить подобный допинг было весьма трудно. Тем не менее к Олимпийским играм в Сиднее 2000 г. уже удалось разработать для этого надежный тест.

Параллельно с кровяным допингом в 1990-х годах разрабатывался другой стимулирующий способ – прием инсулина в качестве допинга. В 2001 г. вето использовании публично признались 10 % ведущих спортсменов, специализирующихся в бодибилдинге. В отличие от приема тестостерона, который приводил к быстрому наращиванию мышечной массы, инсулиновый допинг способствовал росту работоспособности путем повышения энергоресурсов мышц, увеличивая включение гликогена в мышечную ткань.

Техника гиперинсулинового допинга заключалась в одновременном приеме на протяжении двух часов глюкозы с инсулином. Поступающая в кровь глюкоза усиленно переводилась в мышцы и откладывалась в виде гликогена. Такие углеводные запасы повышали возможности спортсменов в беге на средние и длинные дистанции.

Превышение дозы инсулина грозит тяжелыми последствиями. В этой ситуации мозг лишается необходимого притока глюкозы из-за усиленного ее вымывания из крови. Так как в мозгу нет специальных углеводных депо, то при нарушении необходимого для центральных нейронов притока глюкозы у спортсмена развивается кома, т. е. потеря сознания, нарушение дыхания, кровообращения, обмена веществ и отсутствие рефлексов.

В числе гормонов, используемых в качестве допинга, в последнее десятилетие применяется гормон роста – соматотропный гормон гипофиза. В 1998 г. за его использование на первенстве мира по плаванию была снята с соревнований целиком вся команда китайских пловцов. За употребление– запрещенных средств на Олимпийских играх 2000–2002 годов было дисквалифицировано несколько медалистов по тяжелой атлетике и лыжным гонкам.

Одним из последних новшеств стало использование американскими атлетами не только отдельных гормонов, но и коктейлей из их смеси, адаптированных к индивидуальным особенностям спортсменов. Это еще больше затруднило обнаружение неожиданных дизайнерских допингов. Вместе с тем подобные попытки вплотную приблизили специалистов к генетическим допингам.

16.3.2. Технология вставки гена

Для введения в организм спортсмена копии гена, обладающей определенными свойствами, используются практически безвредные вирусы. Наиболее часто вводят вирус гриппа, в котором дезактивированы гены, вызывающие патологические реакции в организме человека.

Рис. 43. Схема введения гена в мышечное волокно с помощью вируса:

А – измененная ДНК безвредного вируса: 1 и 3 – вирусная ДНК, 2 – вставленный ген:

Б – введение измененной ДНК в мышечное волокно: 1 – вирус,

2 – поперечный разрез мышцы, 3 – мышечное волокно

В вирусе производят изменение его генетического материала (рис. 43), ДНК вируса расщепляют с помощью специальных ферментов на отдельные фрагменты. Затем с использованием другого фермента соединяют участки вирусной ДНК с модифицированным геном человека. В результате в вирусе получается видоизменение (рекомбинация) его ДНК. Эта новая ДНК вируса состоит из генетического материала двух разных организмов. Раствор с измененным вирусом вводится уколом в скелетную мышцу спортсмена с целью изменения ее характеристик. В мышечном волокне модифицированный ген образует новые белки, перестраивая свойства мышцы.

16.3.3. Группы генетических допингов

К 2005 г. было обнаружено 9 групп генов, которые можно использовать в качестве спортивного допинга. Действие каждой из них детерминирует какой-либо признак организма. Отметим из группы каждого типа наиболее известные отдельные гены.

Эпоген-допинг

В 1964 г. на Олимпийских зимних играх в Инсбруке финский лыжник Эро Мянтюранта выиграл 2 золотые медали. Его скорость и выносливость на дистанции поражали всех, хотя физическое развитие спортсмена не отличалось от развития других лыжников-гонщиков. Однако в составе его крови было почти наполовину больше, чем в норме, красных кровяных телец – эритроцитов. Вследствие генетической мутации процесс формирования эритроцитов в данном случае был значительно усилен. Это повышало кислородную емкость крови и позволяло доставлять работающим мышцам и сердцу особенно большое количество кислорода, что и увеличивало спортивную работоспособность.

Важность высокого уровня кислородного насыщения крови и значительного индивидуального уровня максимального потребления кислорода для спорта высших достижений давно была показана физиологами спорта. Отдельных спортсменов или целые команды заблаговременно до старта вывозили в горы, где тренировка в разреженном воздухе способствовала увеличению количества эритроцитов в крови и повышению уровня МПК. Ведь, как известно, у жителей высокогорных районов в результате адаптации к низкому содержанию кислорода в воздухе в течение тысячелетий эти показатели существенно превышают данные жителей низких плоскогорий.

Затем были предложены и осуществлены более дешевые способы повышения количества эритроцитов и МПК у спортсменов: тренировка в помещениях с низким содержанием кислорода или дыхание в замкнутом пространстве (вдох производится из резинового мешка, куда производится и выдох и где содержание кислорода постепенно снижается.

С развитием генетики появились иные способы увеличения количества эритроцитов в крови человека. Выявление нужного для этих целей гена открыло новые методы воздействия на организм спортсменов.

Эпоген – это ген, который детерминирует выработку почками гормона эритропоэтина, стимулирующего процесс формирования эритроцитов (эритропоэз) в костном мозге и других структурах. В 1997 г. в экспериментах эпоген ввели в клетки мышей и обезьян. Процентное содержание эритроцитов в их крови увеличилось на 81 %. Несмотря на такой потрясающий эффект, результаты эксперимента были неоднозначны. Животных в ряде случаев приходилось спасать от гибели, разжижая их кровь, которая стала настолько густой, что сердце не могло ее перекачивать. Такие же последствия сопровождают и человека в случае генетической мутации, приводящей к избытку эритроцитов. Следует отметить, что Эро Мянтюранта умер в 42 (!) года.

Генетический допинг миофибриллярной гипертрофии

Недавно был выделен особый ген, который увеличивает количество и размеры мышечных клеток. Активность этого гена обеспечивает в молодом организме восстановление мышечных волокон после больших физических нагрузок и микротравм. С возрастом механизм воспроизводства мышечных белков нарушается. Мышечные волокна заменяются жиром и фиброзными волокнами. К 80-летнему возрасту человек теряет около половины мышечной массы по сравнению с 20-летним возрастом.

Мышечный ген – это ген гормона инсулиноподобного фактора роста. Данный гормон усиливает деление недифференцированных сателлитных (стволовых) клеток, окружающих мышечные волокна. Часть этих клеток встраивается в мышечные клетки и дает ядра для последующего формирования новых мышечных белков (актина и миозина) и дополнительных миофибрилл. Таким образом увеличивается количество миофибрилл и объем мышечного волокна – происходит так называемая миофибриллярная гипертрофия.

Первоначально ген фактора роста мышечных волокон использовали для лечения мышечной дистрофии. Вскоре выяснилось, что этот механизм действует у спортсменов при тренировке силовой направленности. Сигналом для запуска всего процесса – от активации указанного гена, повышенного действия гормона инсулиноподобного фактора роста и до мышечной гипертрофии – является растяжение сухожилий и других структур при больших отягощениях, а также появление микротравм мышечных волокон. Стволовые клетки, встраиваются в микротравмы и способствуют их заживлению, одновременно повышенный синтез мышечных белков приводит к гипертрофии скелетных мышц.

При силовой тренировке происходит двукратное утолщение волокон типа Па по сравнению с волокнами типа I, что повышает не только силу, но и скоростно-силовые характеристики мышц.

Исследования на животных показали эффективность мышечного допинга. При его использовании сила мышц возрастала на 15–20 %, Пожилые мыши при введении этого допинга имели силу и быстроту молодых.

Естественно, что результаты этих работ привлекли внимание тренеров и спортсменов. Особенно важной оказалась возможность локальных воздействий на отдельные мышцы. Можно увеличить силу наиболее значимых для избранного вида спорта мышечных групп или отдельных мышц – бицепсов у боксеров, икроножных мышц у спринтера, мышц верхнего плечевого пояса у гимнастов и пловцов и т. п. Учитывалось также и то, что использование допинга не отражается на характеристиках крови и мочи, т. е, его чрезвычайно трудно обнаружить. Он не выявляется даже при биопсии скелетных мышц.

Генетический допинг роста сосудов (сосудисто-эндотелиальный)

Среди недавно обнаруженных типов генетических групп был выделен ген сосудисто-эндотелиального роста, детерминирующий формирование новых сосудов и увеличение их просвета. Его предназначали для лечения пожилых людей, страдающих заболеваниями периферических сосудов. С возрастом часто наблюдается сужение просвета сосудов в результате отложений на их внутренних стенках солей кальция, бляшек жира и холестерола (атеросклероз), а также сахаристых соединений. Возникающие при этом нарушения кровотока приводят к тяжелым заболеваниям конечностей. С обнаружением гена сосудисто-эндотелиального роста появилась надежда эффективной терапии этих поражений.

Одновременно начались попытки вставки такого гена в клетки спортсменов. Подобный допинг, увеличивая просвет сосудов, обеспечивает значительно лучшие возможности доставки всем тканям организма питательных веществ и кислорода, снижает утомление спортсмена и повышает его работоспособность.

Генетический допинг считывания наследственной информации о белке-ускорителе для активации гена сверхбыстрых мышечных волокон (транскрипционный фактор)

По современным представлениям, функциональные характеристики мышечного волокна у взрослого человека определяются тремя типами сократительного белка миозина – медленным, промежуточным и быстрым. Мышечные волокна, которые содержат в миофибриллах миозин медленного типа, имеют в 10 раз меньшую скорость сокращения, чем волокна с миозином быстрого типа.

В отличие от этого у крыс и ряда мелких млекопитающих в составе мышечных волокон обнаружены еще более быстрые волокна (super fast muscle fibers). Они обеспечивают особенно высокую скорость сокращения их скелетных мышц, необходимую для быстрого бегства от хищников. У человека в геноме, как оказалось, имеются гены, ответственные за формирование таких сверхбыстрых волокон, но эти гены находятся в неактивной форме. Это обстоятельство и привело к поиску возможностей активации данных генов.

В результате работ в этом направлении учеными был открыт особый протеин – так называемый велосифин, или ускоритель, который включает активность указанного гена. Этот белок был назван транскрипционным (считывающим) фактором и был применен в качестве допинга. Таким образом был разработан допинг, использующий продукт одного гена (транскрипционный фактор, или велосифин) для активации другого гена (гена сверхбыстрого миозина).

Несколько уколов с велосифином в любую мышцу спортсмена активирует заторможенный ген особо быстрого миозина. Уже через несколько недель наблюдается огромный прирост объема мышцы и ее энергии, обеспечивая значительное увеличение силы и скорости сокращения мышцы спортсмена. Данный допинг проверялся на четырехглавой мышце бедра, ягодичной и других мышцах. Эти мышцы увеличивались в объеме и приобретали более выраженные скоростные свойства.

Тестировать наличие такого допинга чрезвычайно трудно, так как нет видимых побочных эффектов в организме. Необходимо провести биопсию стимулированной мышцы, т. е. довольно болезненный укол в мышцу, и последующий анализ полученной из иглы мышечной частицы.

Генетический допинг сжигания жира (жиросжигающего белка)

Разработка этого допинга началась с иными целями – как борьба с ожирением. Ученые занялись выведением мышей, не страдающих ожирением. Для этого мышам был введен ген жиросжигающего протеина. После такого укола мыши оставались худыми, обезжиренными, даже при большом количестве жира в пище.

Побочным эффектом этого воздействия явилось увеличение в скелетных мышцах подопытных животных количества медленных волокон. Мыши приобрели способность к бегу на длинные дистанции («марафонская мышка>>). Они пробегали в два раза большее расстояние, чем обычные контрольные мыши. Полученные результаты позволили надеяться, что и этот допинг получит широкое распространение в спортивной практике среди спортсменов-стайеров.

Генетический допинг митохондриального гена

Еще одним перспективным направлением поиска новых допингов является разработка изменения активности митохондрий – энергетических станций клеток, имеющих собственный набор ДНК. В этом плане проведены исследования по выделению гена, увеличивающего количество и повышающего активность митохондрий. Следствием такого изменения функций митохондрий является увеличение выработки энергии и повышение скорости и выносливости без нарастания мышечной массы.

Этот допинг имеет большие перспективы, так как обнаружить его практически невозможно. Для этого необходимо проводить сложный анализ на клеточном уровне.

Генетический допинг ограничения роста мышечной массы (противоростовой фактор)

В качестве допинга определенное значение имеет гормон миостатин. Его функция противоположна действию инсулиноподобного гормона роста. Гормон ми о ста тин ограничивает рост мышечной массы.

Исследования проводились на бельгийской голубой породе быков. Их мышцы при введении миостатина не росли больше необходимых размеров и были почти лишены жира. Эти результаты были подтверждены в работе на мышах. У них, как и у быков, после введения в печень миостатина происходило развитие всех мышц тела, но в мышцах не было жировых прослоек.

В настоящее время ведется разработка лекарства, основанного на обратном эффекте – введение гена, уменьшающего активность миостатина. Это важно для лечения больных мышечной дистрофией. Имеются перспективы использования гормона миостатина или его гена в качестве допинга, способствующего росту обезжиренной мышечной массы и не требующего при этом дополнительного питания спортсмена.

Генетический допинг механического фактора роста

В числе перспективных допингов следует отметить белок механического фактора роста. Этот продукт особого гена подобно гормону роста увеличивает мышечную массу, но также он повышает способность мышц к реставрации поврежденных участков.

Клонирование этого гена и введение его в организм в качестве допинга дает особенно выраженный эффект. Гормон механического фактора приводит к увеличению мышечной массы на 25 % за три недели. Можно привести для сравнения действие стероидных гормонов, которые в тех же дозах приводят к увеличению мышечной массы всего на 10 % и за более длительный срок – за 10 недель.

Ген тестостерона – допинг

Еще одна перспективная разработка генетиков связана с применением в качестве допинга гена, дет ермииирующего выработку тестостерона. Такой допинг является аналогом анаболических стероидов. Однако в отличие от последних (искусственных факторов) он является естественным продуктом. Это обстоятельство обеспечивает его преимущество для нелегального использования, так как его трудно обнаружить в организме.

16.4. Обнаружение допингов

Искусственное происхождение изменений в организме, вызванное вставкой генетического допинга, намного труднее обнаружить, чем прием стероидов или инсулина. Проблема генетических допингов встала перед МОК в 2000 г. Однако их использование уже получило широчайший размах. Предрекают, что к Олимпиаде 2012 года все спортсмены будут генетически модифицированы. Об этом позаботятся фармакологические компании.

Возможность выявления допинга, зависит от его особенностей и способа введения в организм. При введении подобных веществ в печень (например, для подавления миостатина) их легче выявить, так как до мышцы они доходят через кровь, где и могут быть обнаружены. Более трудно выявить наличие допингов, вводимых непосредственно в мышцу. В этом случае требуется биопсия именно той мышцы, в которую был сделан укол. Да и само определение – это болезненная процедура, и ее осуществление в период соревнований, изменяя состояние мышцы, может повлиять на спортивный результат.

Легче выявить использование такого допинга, как эпоген, хотя и это поначалу казалось безнадежным делом. Пытались решить эту проблему, сравнивая исходные данные анализа крови, взятой у спортсмена задолго до соревнований и в период соревнований. В 2000 г. на Олимпиаде в Сиднее появилась возможность обнаружения эпоген-допинга в результате совместного анализа крови и мочи спортсмена. При этом возникли новые проблемы – подмены пробирок для анализа, надежности хранения банка исходной крови для каждого элитного спортсмена и др.

Преодоление этих проблем и усовершенствование способов определения генетического допинга типа натурального протеина было достигнуто в результате опытов французских ученых на обезьянах в 2004 г. Было предложено сравнивать данные анализа эпогена, взятого из крови и из определенной мышцы. Результативность такого контроля базируется на некоторых различиях полученных форм эпогена. Введенный в качестве допинга эпоген мышцы имеет тот же аминокислотный состав, что и имеющийся в организме, и взятый из крови. Иммунная система не отвергает его как чужеродное тело. Но выяснилось, что искусственный эпоген отличается по пространственной структуре белка от естественного, что и позволило тестировать допинг. Особенностей же пространственной организации белковой молекулы иммунная система человека не распознает, поэтому чужеродный эпоген и не отвергает.

Казалось, что проблема выявления эпоген-допинга таким способом решена. Однако последующие наблюдения показали, что эта проблема более сложная. Не у всех спортсменов обнаруживаются пространственные различия структуры эпогена, а у некоторых эти различия могут вызывать патологические реакции иммунной системы вплоть до гибели организма.

Дополнительную возможность обнаружения допинга дает то обстоятельство, что некоторые клетки организма тоже могут вырабатывать эритропоэтин. В условиях введения допинга они начинают усиленно его продуцировать. Однако их эритропоэтин несколько отличается от обычной формы и может использоваться как сигнал о наличии допинга.

Другим способом обнаружения допинга является выявление особых частиц ДНК опознающего участка (или промотора) данного гена, а также выявление остатков белка вируса, которые использовались для введения гена в клетку. Эти способы связаны с процедурой биопсии скелетных мышц, т. е. болезненным и небезопасным вмешательством в мышцу. К тому же успех данной операции минимальный, так как один и тот же промотор может быть связан с различными генами.

Наконец, свидетельством нелегальных подходов к стартам может быть неожиданный рост спортивных результатов и резкие отличия ряда параметров организма спортсмена от норм для людей данной популяции.

16.5. Риск для здоровья

Организм человека представляет собой чрезвычайно сложное объединение различных органов и тканей, с многоуровневыми восходящими и нисходящими регулирующими влияниями. Отлаженные внутрисистемные и межсистемные взаимосвязи обеспечивают поддержание постоянства параметров внутренней среды (гомеостаза) и тонкое взаимодействие организма с окружающей средой. Существующая в организме система обратных связей является основой саморегуляции необходимых параметров жизнедеятельности.

Всякое постороннее вмешательство, особенно в генетический аппарат организма, чревато тяжелыми последствиями. Вставка нового гена, повышение активности работающего гена, изменение количества его продукта или активация заторможенного гена в геноме человека приводят к разбалансированию ряда связанных с этим вмешательством функций, поломке механизмов саморегуляции. При этом возникают тяжелые патологические изменения в отдельных органах и системах, приводящие в своем развитии к гибели организма.

Понятно стремление спортсменов к выдающимся результатам, достижению победы и получению наград. Однако использование ради этого нелегальных путей с приемом допингов приводит зачастую к пагубным последствиям для организма самого спортсмена (не говоря уже о других последствиях – дисквалификации спортсмена, снятии целых команд с престижных соревнований, затратах на восстановление здоровья и т. п.).

Значительную опасность для здоровья представляет использование в качестве допинга эпогена. В обычных условиях эритропоэтины содержатся в крови в небольшом количестве, поддерживая нормальный уровень эритроцитов. Если процентное содержание эритроцитов в крови падает, то выработка гормона эритропоэтина увеличивается и восстанавливает необходимое их количество. После достижения нормального содержания эритроцитов в крови, выработка эритропоэтинов снижается. Но в результате усиленного использования эпогена спортсменами механизмы саморегуляции в организме нарушаются. Это может приводить к тяжелым последствиям. В результате неадекватного увеличения количества эритропоэтина и содержания эритроцитов не только повышается кислородная емкость крови, но одновременно увеличивается и ее вязкость, что тягостно отражается на сердце. Кровь становится желатинообразной массой, в крови появляются сгустки, кровоток нарушается. Возникает шанс инфаркта и инсульта. Для уменьшения вязкости крови используют некоторые лекарственные средства, разжижающие кровь. Факторы риска сохраняются и в этом случае, так как эти лекарства необходимо применять в больших количествах.

В экспериментах на обезьянах исследователи пытались уменьшить негативный эффект регулярными заборами крови, чтобы вызвать ее разжижение. Тем не менее многие обезьяны погибали. В этих экспериментах у ряда обезьян неожиданно обнаруживался обратный эффект. Концентрация эритропоэтина непонятным образом вдруг уменьшалась, и возникало падение количества эритроцитов и гемоглобина – так называемая анемия. В этом случае обезьяны также погибали, но по другой причине – от недостатка кислорода в крови. Такие изменения были результатом нарушения иммунной системы, вызванного у этих животных введением допинга, что приводило к уничтожению собственного эритропоэтина и выраженному уменьшению содержания эритроцитов в крови.

Возможность возврата к нормальному содержанию эритропоэтина весьма проблематична. У велосипедистов, участников гонки Тур де Франс, через несколько недель после введения с уколом эритропоэтина состояние крови возвращалось к норме. После же введения эпогена повышенная по сравнению с нормой концентрация эритроцитов в крови сохранялась и даже увеличивалась. Кровь становилась все более вязкой, вплоть до гибели организма.

Серьезные факторы риска имеются в случае использования генетического допинга для наращивания мышечной массы и повышения силы отдельных мышц. Диспропорциональное изменение отдельных мышц или мышечных групп влияет на окружающие их ткани, связанные с ними сухожилия и кости, которые не подвергались допинговому воздействию и не адаптированы к подобным изменениям. Посторонние влияния на механизмы роста приводят к возникновению системных нарушений – межмышечных и межсистемных взаимосвязей. У элитных спортсменов при максимальных нагрузках возможны разрушения окружающих тканей, разрывы связок и переломы костей.

До сих пор неизвестны многие побочные эффекты вмешательства в генетический аппарат человека и отдаленные его последствия. Не исследованы возможности возникновения роста раковых клеток, нарушения проницаемости клеточных мембран, изменений потенциалов покоя и потенциалов действия, передачи информации в нервной системе, процессов фильтрации в почках и пр.

Особенно тяжело введение генетического допинга может отразиться на последующем поколении. Не только сам спортсмен становится мутантом, но у него имеется риск получить детей-мутантов.

Наиболее опасными являются неизвестные риски, к которым еще не выработаны противодействия. Так, например, в 1999 г. 18-летний спортсмен умер после генетического вмешательства от изменений во многих органах, механизм которых так и остался неизвестным. Спортсмены, применяющие генетический допинг, рискуют не победить, а умереть. Многие из них не имеют достаточной информации об этих последствиях, зато велик соблазн нелегального способа добыть победу и получить финансовое вознаграждение. Проведенный в 1995 г. опрос олимпийских чемпионов показал, что более половины из них готовы использовать генетический допинг, чтобы на протяжении пяти лет одерживать победы, даже при условии последующей после этого смерти.

Все указанные обстоятельства вызвали глубокую озабоченность МОК. В конце 1990-х годов МОК решил организовать систематический контроль их применения. В 1999 г. было создано Антидопинговое Агентство, куда начали поступать сообщения о негативных последствиях приема генетических допингов. Создание такой организации крайне необходимо, так как современные технологии внедрения генетических допингов в клетки организма хорошо разработаны, широко известны и доступны даже студентам, специализирующимся в молекулярной биологии. Не исключено использование этих средств уже в ближайшее время в самых широких масштабах. Доступность и заманчивость подобных допингов особенно привлекает тренеров и спортсменов в современных условиях спортивной борьбы, когда успех определяется долями секунд и сантиметрами.

МОК в последние годы приглашает к сотрудничеству генетиков для обсуждения проблемы генетических допингов. В круг проблем, курируемых Международным Антидопинговым Агентством, входит исследование всех форм допингов, включая генетические формы.

Гениальные достижения науки в области генетики привели к побочным эффектам употребления нелегальных средств повышения возможностей организма. Генетический допинг в настоящее время представляет наибольшую опасность для развития спорта и для здоровья спортсменов. Широкое распространение методов вмешательства в геном человека может значительно и непредсказуемо изменить ход эволюции человека.

* * *

В настоящее время практика спорта демонстрирует весьма низкую эффективность спортивного отбора, а точность экспертного прогноза успешности спортсмена, как показали результаты исследований, не превышает 60–70 %. Вместе с тем имеются существенные резервы улучшения деятельности тренеров и педагогов на основе знаний закономерностей генетики человека.

Особое значение генетических основ жизнедеятельности человека для физического воспитания и спорта заключается в следующем:

• генетический контроль роста, развития и функционирования организма в наибольшей степени выражен в молодые годы, когда контингент занимающихся физическими упражнениями особенно велик;

• генетические влияния менее заметны в обычных условиях деятельности человека, но достигают наибольшей выраженности в моменты предельных физических и психоэмоциональных напряжений, при выполнении работы наибольшей мощности и продолжительности, что характерно для спортивной борьбы;

• выбор спортивной специализации и стиля соревновательной деятельности, неадекватных генетическим особенностям индивида, замедляет темпы развития тренированности спортсмена, формирует в организме нерациональную функциональную систему управления движениями, характеризующуюся излишними внутрисистемными и межсистемными взаимосвязями, обилием компенсаторных реакций, создающих дополнительное напряжение и угрожающих здоровью спортсмена, а в итоге приводит к остановке роста спортивного мастерства.

Знание закономерностей наследственных влияний на организм необходимо спортсменам, тренерам и врачам для правильной организации тренировочного процесса, повышения эффективности спортивной ориентации, спортивного отбора, прогнозирования индивидуальной успешности соревновательной деятельности спортсмена.

Следует сформировать новое поколение спортсменов, тренеров, педагогов, медиков, работников детских учреждений, освоивших богатый арсенал достижений спортивной генетики. Это позволит повысить эффективность тренировочных занятий, сократит сроки подготовки спортсменов высшей квалификации и будет способствовать оздоровлению широких масс населения. Использование генетических закономерностей и большинства генетических маркеров спортивных задатков не требует сложной аппаратуры и особых материальных затрат, значительно снижает возрастные границы начального отбора одаренных детей, позволяет развернуть широкий мониторинг подрастающего поколения для выявления наследственных особенностей каждого индивида.

Применение же современных биотехнологий с анализом фрагментов ДНК создает невиданные ранее возможности целенаправленного поиска спортивных талантов. Открываются новые перспективы не только достижения высшего уровня спортивного мастерства, но и, в результате реализации свойства быстрой тренируемости, резкого (до 6–8 лет и более) сокращения сроков подготовки элитных атлетов, а также повышения рентабельности тренерского труда. Значительное внимание должно уделяться ознакомлению тренеров и спортсменов с действием современных допингов, применяемых в спорте, и с методами их обнаружения. Это особенно касается генетических допингов, разработанных на современном этапе расшифровки генома человека.

Актуальной задачей физиологов, спортивных врачей и генетиков является разъяснение огромного риска для здоровья как самого спортсмена, так и для его будущего потомства в случае применения генетических допингов. Все последствия этого риска, который возникает в результате вмешательства в наследственный аппарат человека, еще полностью не изучены. Зато известно, что спортсмен приобретает не только приоритетную возможность победы, но и приоритетную возможность погибнуть.

17. Физиологические основы оздоровительной физической культуры

Человек не может жить в отрыве от внешней среды. Организм человека, являясь открытой системой, тесно связан с ней – он получает из воздуха кислород для дыхания, пищу для энергообеспечения жизнедеятельности, различного рода информацию из социального окружения для своего развития. Многие влияния оказывают неблагоприятное воздействие, и человеку необходимо принимать специальные меры для поддержания своей работоспособности и здоровья.

17.1. Роль физической культуры в условиях современной жизни

Среди факторов, позволяющих поддерживать необходимый уровень здоровья и высокую работоспособность человека, одно из важнейших мест занимает физическая культура. При этом не требуется больших материальных затрат.

17.1.1. Влияние современных условий жизни на организм человека

Внешняя среда оказывает на человека не только положительное, но и отрицательное влияние. Негативные воздействия могут вызывать различные факторы неживой природы (абиотические), живой природы (биотические) и социальной сферы.

Среди них следует учитывать физические факторы – колебания давления и температуры, проникающая радиация, шум, вибрации и др.; химические факторы – различные вещества в воде, воздухе, земле, пище; биологические факторы – инфекции, вирусы. Кроме того, успехи науки и техники, наряду с полезным эффектом, приводят в современной жизни и к неблагоприятным последствиям. Автоматизация и механизация производства (широкое использование различных видов транспорта, необходимость работы в ограниченном пространстве (батискафы, космические аппараты, подводные лодки), избыточность информации, постоянный дефицит времени и прочее снижают необходимый уровень двигательной деятельности и повышают нервно-психическое напряжение человека, вызывая стрессовые состояния и угрожая здоровью населения.

Устав Всемирной организации здравоохранения определяет понятие здоровья как «полное физическое, психическое и социальное благополучие».

Выделяется четыре степени адаптации к условиям окружающей среды или четыре уровня функциональных возможностей человека:

• удовлетворительная адаптация, достаточные функциональные возможности человека;

• состояние функционального напряжения;

• неудовлетворительная адаптация, функциональные возможности организма снижены;

• значительное снижение функциональных возможностей организма, истощение физиологических резервов, срыв адаптации.

Эти уровни адаптации отражают риск потери работоспособности и характеризуют изменения в ряде функциональных показателей организма (табл. 16).

Таблица 16

Характеристика некоторых показателей сердечно-сосудистой системы у мужчин с разной степенью адаптации к окружающей среде (средние данные)

17.1.2. Роль физической культуры в жизнедеятельности современного человека

В процессе эволюции животного мира, в том числе человека, многие органы и системы организма формировались в тесной взаимосвязи с разного рода движениями. Без работы мышц невозможно перемещение человека в пространстве, осуществление внешнего дыхания, перекачивание крови сердцем, продвижение пищи по пищеварительному тракту, работа мочеполовой системы, передача звуковых волн в слуховом аппарате, поисковая функция глаза и чтение текста, произнесение слов и многие другие функции.

Нарастающее в современном мире ограничение подвижности противоречит самой биологической природе человека, нарушая функционирование различных систем организма, снижая работоспособность и ухудшая состояние здоровья. Чем больше прогресс освобождает человека от физического труда и излишних движений, тем больше растет необходимость компенсации двигательной активности.

В этих условиях очевидна роль развития массовых форм физической культуры. Приобщение к физической культуре очень важно для женщин, от здоровья которых зависит качество потомства; для детей и подростков, развитие организма которых крайне нуждается в высоком уровне подвижности; для лиц пожилого возраста с целью сохранения бодрости и долголетия.

За последнее время, наряду со многими отрицательными демографическими явлениями (сокращение рождаемости, повышение смертности, снижение продолжительности жизни), обнаруживается рост проявлений физиологической незрелости (Аршавский И.А.). Ребенок рождается доношенным, с нормальным весом и длиной тела, но в функциональном отношении недостаточно зрелым. Это проявляется в его пониженной двигательной активности, мышечной слабости (гипотонии), быстрой утомляемости, снижении устойчивости к простудным и инфекционным заболеваниям (снижение иммунитета), неустойчивыми эмоциональными реакциями, слабым типом нервной системы. Результатом физиологической незрелости являются недостаточное развитие физических качеств и навыков, ожирение, развитие близорукости, искривления позвоночника, плоскостопие, детский травматизм. Эти явления накладывают свой отпечаток на всю последующую жизнь человека. Они приводят к задержке полового развития (инфантилизму) в подростковом периоде, к снижению физической и умственной работоспособности в зрелом возрасте и к раннему старению пожилых людей.

Борьба с проявлениями физиологической незрелости не может сводиться к фармаковоздействиям, психологическим или педагогическим мероприятиям. Основное необходимое средство противостояния этому явлению – повышение двигательной активности. Это путь к долголетию и здоровому образу жизни в любом возрасте.

Развитие массовой физической культуры и спорта не только обеспечивает сохранение здоровья и повышение работоспособности, но и способствует заполнению досуга и отвлечению населения, в особенности подростков, от вредных привычек курения, алкоголизма и наркомании.

Для этого необходимо мотивировать у населения высокую потребность в занятиях физической культурой. Спортивные достижения выдающихся атлетов вдохновляют большие массы людей и способствуют их приобщению к систематическим спортивным занятиям. Справедливо отмечал основатель современного олимпизма Пьер де Кубертен: для того чтобы 100 человек занимались физической культурой, нужно, чтобы 50 человек занимались спортом; для того, чтобы 50 человек занимались спортом, нужно, чтобы 20 человек были высококвалифицированными спортсменами, а для этого необходимо, чтобы 5 человек могли показать удивительные достижения.

17.2. Гипокинезия, гиподинамия и их влияние на организм человека

Снижение физических нагрузок в условиях современной жизни, с одной стороны, и недостаточное развитие массовых форм физической культуры среди населения – с другой, приводят к ухудшению различных функций и появлению негативных состояний организма человека.

17.2.1. Понятия «гипокинезия» и «гиподинамия»

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности организма человека необходима достаточная активность скелетных мышц. Работа мышечного аппарата способствует развитию мозга и установлению межцентральных и межсенсорных взаимосвязей. Двигательная деятельность повышает энергопродукцию и образование тепла, улучшает функционирование дыхательной, сердечно-сосудистой и других систем организма. Недостаточность движений нарушает нормальную работу всех систем и вызывает появление особых состояний – гипокинезии и гиподинамии.

Гипокинезия пониженная двигательная активность. Она может быть связана с физиологической незрелостью организма, с особыми условиями работы в ограниченном пространстве, с некоторыми заболеваниями и другими причинами. В некоторых случаях (гипсовая повязка, постельный режим) может быть полное отсутствие движений или акинезия, которая переносится организмом еще тяжелее.

Существует и близкое понятие – «гиподинамия» – понижение мышечных усилий, когда движения осуществляются, но при крайне малых нагрузках на мышечный аппарат. В обоих случаях скелетные мышцы нагружены недостаточно. Возникает огромный дефицит биологической потребности в движениях, что резко снижает функциональное состояние и работоспособность организма человека.

Основным этиологическим фактором гиподинамии и гипокинезии является длительное уменьшение объема и силы мышечных сокращений. Вследствие этого прежде всего возникает заметное уменьшение энергозатрат, что в конечном итоге приводит к снижению тканевого дыхания, общего газообмена, энергообмена, увеличению кислородного запроса и кислородного долга организма, а также к уменьшению коэффициента использования кислорода. В результате такого нарушения процессов биологического окисления и энергетического обмена снижается эффективность газообмена и уровень работоспособности.

Уменьшение мышечной активности приводит как к значительному снижению эфферентной импульсации необходимых сигналов, так и к резкому уменьшению обратного потока афферентных импульсов, информирующих ЦНС и ряд других систем организма о происходящих в мышцах функциональных изменениях. Уменьшение интенсивности эфферентных и афферентных влияний и снижение объема частоты мышечных сокращений ведет к нарушению функций коры головного мозга, преобладанию тормозных процессов, падению силы мышц, статической и динамической выносливости.

Некоторые животные очень тяжело переносят отсутствие движений. Например, при содержании крыс в течение 1 месяца в условиях акинезии выживает 60 % животных, а в условиях гипокинезии – 80 %. Цыплята, выращенные в условиях обездвижения в тесных клетках и выпущенные затем на волю, погибали при малейшей пробежке по двору.

Тяжело переносится снижение двигательной активности человеком. Обследование моряков-подводников показало, что после 1,5 месяцев пребывания в море сила мышц туловища и конечностей уменьшалась на 20–40 % от исходной, а после 4 месяцев плавания – на 40–60 %. Наблюдались и другие нарушения со стороны различных органов и систем.

17.2.2. Влияние недостаточной двигательной активности на организм человека

В центральной нервной системе гипокинезия и гиподинамия вызывают потерю многих межцентральных взаимосвязей, в первую очередь, из-за нарушения проведения возбуждения в межнейронных синапсах, т,е. возникает асинапсия. При этом изменяется психическая и эмоциональная сфера, ухудшается функционирование сенсорных систем. Поражение мозговых систем управления движениями приводит к ухудшению координации двигательных актов, возникают ошибки в адресации моторных команд, неумение оценивать текущее состояние мышц и вносить коррекцию в программы действий.

При длительном снижении мышечной активности наиболее рано в цепь нарушений вовлекается вегетативная нервная система. При этом отмечается преобладание ваготонических реакций и изменение ее адаптационно-трофической функции, что проявляется прежде всего сдвигами показателей транспортных систем и обмена веществ. Нарушаются белковый и водно-солевой обмен (возрастают потери калия, кальция, фосфора и натрия), увеличивается содержание липидов и холестерина, повышаются свертываемость крови, уровень кортикостероидов и катехоламинов. У человека формируется два важнейших синдрома: вегетососудистая дистония и нервно-психическая астенизация организма.

Снижение функций центральной нервной системы сказывается на высшей нервной деятельности человека: ухудшаются внимание и память, возрастает число ошибок при выполнении умственных операций, уменьшается скорость переработки информации. Отмечается также ухудшение настроения, появляется раздражительность, нарушается сон.

Применение в достаточном объеме физических упражнений в названных условиях повышает функции головного мозга, совершенствует регуляторные механизмы, улучшает деятельность различных вегетативных систем и способствует формированию оптимального функционального состояния организма.

В двигательном аппарате отмечаются некоторые дегенеративные явления, отражающие атрофию мышечных волокон, – снижение массы и объема мышц, их сократительных свойств. Ухудшается кровоснабжение мышц, энергообмен. Происходит падение мышечной силы, точности, быстроты и выносливости при работе (особенно статической выносливости). При локомоциях усиливаются колебания общего центра масс, что резко снижает эффективность движений при ходьбе и беге.

Дыхание при недостаточной двигательной активности характеризуется уменьшением ЖЕД, глубины дыхания, минутного объема дыхания и максимальной легочной вентиляции. Резко увеличивается кислородный запрос и кислородный долг при работе. Основной обмен и энергообмен понижаются.

Нарушается деятельность сердечно-сосудистой системы. Возникает атрофия сердечной мышцы, ухудшается питание миокарда. В результате развивается ишемическая болезнь сердца. Уменьшение объема сердца приводит к меньшим величинам сердечного выброса (уменьшению систолического и минутного объемов крови). Частота сердечных сокращений при этом повышается как в покое, так и при физических нагрузках.

Ослабленные скелетные мышцы не могут в должной мере способствовать венозному возврату крови. Недостаточность или полное отсутствие их сокращений практически ликвидирует работу «мышечного насоса», облегчающего кровоток от нижних конечностей к сердцу против силы тяжести. Выпадение помощи со стороны этих «периферических сердец» еще более затрудняет работу сердца по перекачиванию крови. Время кругооборота крови заметно возрастает. Количество циркулирующей крови уменьшается.

При низких физических нагрузках и малом увеличении глубины дыхания при работе почти не помогает кровотоку и «дыхательный насос», так как присасывающее действие пониженного давления в грудной полости и работа диафрагмы ничтожны. Все эти следствия пониженной двигательной активности вызывают в современном мире огромный рост сердечно-сосудистых заболеваний.

В эндокринной системе отмечается снижение функций желез внутренней секреции, уменьшается продукция их гормонов.

В случаях акинезии наблюдаются наиболее глубокие поражения организма и происходит сглаживание суточных биоритмов колебания частоты сердцебиения, температуры тела и других функций.

17.3. Основные формы оздоровительной физической культуры и их влияние на функциональное состояние организма

К основным средствам физического воспитания относят физические упражнения, естественные силы природы и гигиенические факторы. Физические упражнения – это двигательные действия человека, необходимые для решения задач физического воспитания. Главные их задачи – повышение работоспособности и оздоровление населения.

17.3.1. Основные формы оздоровительной физической культуры

Использование различных форм оздоровительной физической культуры неразрывно связано с получением основного эффекта – повышения и сохранения здоровья человека. Ими решаются в обществе и многие другие задачи – общеобразовательные, познавательные (туризм), реабилитационные (лечебная гимнастика), рекреационные, развлекательные (игры), профессиональные (производственная гимнастика, профессионально-прикладная физическая подготовка).

Физические упражнения подразделяют на гимнастику, игры, туризм и спорт. Оздоровительный эффект имеют различные виды гимнастики.

Основная гимнастика обеспечивает широкую общую физическую подготовку человека к различным видам двигательной деятельности. Гигиеническая гимнастика, в частности утренняя зарядка, активизирует функции организма в течение дня. Утренняя зарядка снимает заторможенное состояние мозга после сна, повышая тонус центральной нервной системы афферентными импульсами от работающих мышц; стимулирует активность сенсорных систем; активирует работу сердечной мышцы и усиливает венозный кровоток; увеличивает глубину дыхания; устраняет отечность тканей, усиливая лимфообращение. Водные процедуры, сопровождающие зарядку, обеспечивают закаливание, действуя на терморецепторы кожи. В недавнее время широко развивалась производственная гимнастика, которая в различных ее формах повышает производительность умственного и физического труда и снижает профзаболевания. При использовании перед работой вводной гимнастики происходит врабатывание организма, небольшие физкультминутки и физкульт-паузы являются хорошими средствами активного отдыха, а восстановительная гимнастика улучшает процессы восстановления организма после работы. Лечебная гимнастика обеспечивает восстановление нарушенного здоровья человека. Она имеет узкую специфическую направленность в зависимости от характера заболевания.

Игры, повышая физическую активность человека, способствуют общему оздоровлению населения, а также развивают наблюдательность, экстраполяцию, творческие возможности мозга, способность к переработке информации в условиях дефицита времени. Для развития различных физических качеств и формирования двигательных навыков у детей дошкольного и младшего школьного возраста большое значение имеют имитационные игры. Среди взрослого населения широко распространены игры как средство активного отдыха и заполнения досуга, улучшения психоэмоционального состояния.

Туризм – разнообразная естественная двигательная деятельность в природных условиях. Огромны его влияния на здоровье населения, снятие невротических состояний, вызываемых нервно-психической напряженностью бытовых и профессиональных ситуаций, воспитательно-образовательная роль. Различные виды туризма – прогулки, экскурсии, туристские походы – позволяют человеку укреплять здоровье, поддерживают бодрое настроение, развивают способность к пространственной ориентации на местности, умение адаптироваться к различным естественным ситуациям и погодным условиям. Они служат также для приобретения новых навыков, развития умственных способностей, пополняют знания об окружающем мире и его объектах.

Спорт связан с соревновательной деятельностью, что требует систематической подготовки организма к высоким спортивным достижениям. Занятия массовым спортом преследуют в значительной мере оздоровительный эффект, а это может быть достигнуто лишь при рациональной организации спортивной тренировки, правильно подобранном режиме тренировочных занятий и отдыха, индивидуализации физических нагрузок. Особое значение в последнее время приобретают в плане оздоровления занятия национальными, народными видами спорта (русская лапта, городки и пр.).

17.3.2. Влияние оздоровительной физической культуры на функциональное состояние и неспецифическую устойчивость организма человека

Выполнение физических упражнений несет два последствия для организма человека: 1) специфический эффект, т. е. адаптация к данным физическим нагрузкам·, 2) дополнительный неспецифический эффект – повышение устойчивости к разнообразным неблагоприятным факторам внешней среды. Люди, систематически занимающиеся физическими упражнениями (не менее 6–8 часов в неделю), реже болеют, легче переносят инфекционные болезни (рис. 44). У них реже частота и длительность простудных заболеваний, гораздо меньше сопутствующих осложнений. У спортсменов повышается устойчивость к перегреванию и переохлаждению, к действию проникающей радиации, однако снижается переносимость голодания и некоторых ядов.

Рис. 44. Заболеваемость населения (в %) в зависимости от уровня физического состояния

(по: Г.Л. Апанасенко, 1990)

Выяснилось, что чем выше аэробные возможности организма, тем ниже показатели смертности. При повышении индивидуальных величин относительного МПК в 2 раза у мужчин (от 21 до 42 мл/кг/мин) смертность снижается примерно в 3 раза, а у женщин повышение МПК в 1,5 раза (от 21 до 32 мл/кг/мин) снижает смертность в 2 раза. Исследования на животных также демонстрируют усиление неспецифической устойчивости при тренировке. В группах тренированных крыс (плавание, статическая нагрузка) по сравнению с контрольной группой нетренированных крыс повышалась устойчивость в 1,5 раза к действию гипоксии (по времени возникновения судорог на высоте 13 км), в 1,5 раза – к отравлению хлороформом (по проценту выживания), в 4 раза – к облучению (по 4-кратному увеличению смертельной дозы рентгеновских лучей), на 7 % – к перегреванию (по длительности жизни при 70 °C), на 1/3 – к охлаждению (до начала судорог в воде при 5 °C).

Для получения наибольшего оздоровительного эффекта и максимального повышения работоспособности следует соблюдать оптимальные двигательные режимы, разработанные для лиц различного возраста.

Оптимальный объем физической нагрузки по количеству часов в неделю составляет: для возраста 6–8 лет – 13–14; 9-12 лет – 12–13; 13–15 лет – 11–12; 16–20 лет – 8–9; 24–30 – лет -7-8; 30–60 лет – 5–6; пожилых лиц – 8-10 часов.

Определена минимальная интенсивность нагрузки, при которой происходит повышение функциональных возможностей организма. Ее рассчитывают, исходя из величины максимальной ЧСС, равной 220 уд./мин минус возраст (количество лет). Оптимальная физическая нагрузка выполняется при ЧСС от 65 % до 85 % от максимальной ЧСС (рис. 45).

Следовательно, для молодого человека 20 лет оптимальной является нагрузка, выполняемая при ЧСС в диапазоне 130–170 уд./мин (его максимальная ЧСС составляет 220 – 20 = 200 уд./ мин), а для пожилого человека 60 лет оптимум нагрузки соответствует диапазону ЧСС от 104 до 136 уд./мин (его максимальная ЧСС составляет 220 – 60 = 160 уд./мин).

Отечественными и зарубежными учеными разработаны общие рекомендации по величине тренировочной нагрузки для развития и поддержания кардиореспираторных функций, состава тела, мышечной силы и выносливости у взрослых здоровых лиц;

• частота тренировочных занятий – 3 5 дней в неделю;

• интенсивность работы – 65–85 % от максимальной ЧСС или 50–85 % от МПК;

Рис. 45. Диапазон тренирующих физических нагрузок с оптимальной ЧСС – от 65 % до 85 % от максимальной ЧСС

• длительность занятий – 20–60 мин непрерывной аэробной работы в зависимости от интенсивности (допускается 2–3 пика нагрузки по 1–2 мин с ЧСС до 90-100 % от максимальной ЧСС или от МПК);

• вид упражнений – любые упражнения с использованием больших мышечных групп при ритмичной и аэробной работе – бег, бег трусцой, катание на лыжах, коньках, велосипеде, плавание, гребля, танцы, игровая деятельность;

• упражнения с сопротивлением умеренной интенсивности, эффективные для поддержания анаэробных возможностей, развития и сохранения массы тела и прочности костей – 8-10 упражнений на большие мышечные группы не менее двух дней в неделю.

Рекомендуемый двигательный режим позволяет поддерживать оптимальный уровень физической работоспособности, состояние тела и здоровья (англ, fitness – «фитнес»), уменьшение ЧСС покоя, повышение аэробных и анаэробных возможностей организма, снижение утомляемости и ускорение процессов восстановления. При суточных энерготратах не менее 1200 ккал возможно оптимальное снижение массы тела – не более 1 кг в неделю.

Для определения оптимальной двигательной активности взрослого здорового человека можно использовать суточный показатель количества шагов: 10 тыс. шагов в 1 день обеспечивают средний уровень энерготрат 2200–2400 ккал в сутки (1700 ккал – основной обмен и 500–700 ккал – на мышечную работу). Опыт изучения двигательной активности различных контингентов населения показывает, что в зрелом возрасте люди делают в среднем 10–15 тыс. шагов в сутки, а в пожилом возрасте -6-8 тыс. шагов. Подвижность детей дошкольного и младшего школьного возраста очень высока. Число шагов, проходимых в день дошкольниками в зимний период, составляет: в возрасте 3–4 лет – 11,2 тыс. (девочки) и 11,9 тыс. шагов (мальчики); в 5 лет – соответственно 12 тыс. и 13,5 тыс.; в 5–7 лет – 13,6 тыс. и 15,0 тыс.; в 8 лет – 16,2 тыс. и 18,1 (до 22–24 тыс. шагов). Однако этот уровень подвижности не всегда реализуется. В детских садах и особенно в школах дети и подростки испытывают значительный дефицит двигательной активности, что приводит к росту заболеваний, ожирению, плоскостопию и другим отклонениям в состоянии здоровья.

Повышению функциональных возможностей организма, сохранению здоровья и развитию профессиональных психофизиологических особенностей, физических качеств и формированию двигательных навыков способствует профессионально-прикладная физическая подготовка. Средствами физического воспитания решаются задачи адаптации работающего населения к профессиональной деятельности, военному труду. Так, например, повышение вестибулярной устойчивости, достигаемое в плавании, акробатике, гимнастике, спортивных играх, имеет большое значение для летчиков, космонавтов; быстрота реакции, высокая надежность сенсорных систем, скорость переработки информации, развиваемые в ситуационных видах спорта, необходимы профессионалам-операторам, радиотелеграфистам, машинисткам; высокий уровень развития силы и выносливости требуется геологам, военнослужащим.

Назад: 14. Физиологические основы спортивной тренировки женщин

Дальше: Часть III Возрастная физиология