Биологические основы физической культуры

            Биологические основы физической культуры    
 
 

       Глава 1. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ 

       Вступление 

       Физическая  культура представляет собой специфическую  часть общей культуры, включающую различные стороны человеческой деятельности по созданию и рациональному использованию средств, методов и условий направленного физического совершенствования человека, формированию гармонично развитой личности. К основным ценностям физической культуры относятся такие, как уровень физической подготовленности, физическое развитие, крепкое здоровье, устойчивое психическое состояние, высокий уровень работоспособности, система двигательных умений, навыков и специальных знаний. 

       Основными средствами физической культуры, связанными с двигательной деятельностью человека, являются физические упражнения. С помощью физических упражнений осуществляется биологическое воздействие на организм, изменяющее его физическое состояние. Их выполнение стимулирует активность целого ряда физиологических, биохимических, психических процессов, обеспечивающих оптимальное функционирование организма в условиях возрастающей двигательной активности. Систематические занятия физическими упражнениями совершенствуют деятельность всех органов и систем, ведет к перестройке работы организма в соответствии с общими биологическими законами. 

       Поэтому естественнонаучную основу физической культуры составляют медико-биологические  науки - биология, физиология, анатомия, биохимия и др. Достижения этих наук лежат в основе теории и практики физической культуры, физического воспитания, спортивной тренировки. 

       1.     Организм как биологическая система 

       В биологии организм рассматривается  как самостоятельно существующая единица  мира, функционирование которой возможно лишь при постоянном взаимодействии с окружающей  его внешней  средой и самообновлении в результате такого взаимодействия. 

       Основной  функцией организма является обмен  веществ (метаболизм), который обеспечивается одновременно и непрерывно протекающими процессами во всех органах и тканях - ассимиляция и диссимиляция. 

       Ассимиляция (анаболизм) сводится к образованию  из поступающих в организм извне  веществ и накоплению новых химических соединений, идущих на формирование  различных тканей (массы тела) и  создание энергетического потенциала, необходимого для осуществления жизнедеятельности, в том числе движений. 

       Диссимиляция (катаболизм) - это расщепление химических веществ в организма, разрушение старых, отмерших или поврежденных тканевых элементов тела, а также  освобождение энергии из веществ, накопленных в процессе ассимиляции. 

       С обменом веществ связаны такие  функции организма, как рост, развитие, размножение, питание, пищеварение, дыхание  и выделение продуктов жизнедеятельности, движения, реакции на изменение внешней  среды и др. 

       Многообразно  влияние на организм окружающей среды, которая является для него не только поставщиком жизненно необходимых веществ, но и источником возмущающих воздействий (раздражителей). Постоянные колебания внешних условий стимулируют соответствующие приспособительные реакции в организме, которые предотвращают возможное появление отклонений в его внутренней среде (кровь, лимфа, тканевая жидкость) и большинстве клеточных структур. 

       В процессе эволюции, при формировании взаимоотношений организма с  внешней средой, в нем выработалось важнейшее свойство сохранять постоянство состава внутренней среды - гомеостаз ( от греч. « гомойос» - одинаковый, «стасис» - состояние). Выражением  гомеостаза является наличие ряда биологических констант - устойчивых количественных показателей, характеризующих нормальное состояние организма. К ним относятся температура тела, содержание в крови и тканевой жидкости белков, сахара, ионов натрия, калия и др. Константы определяют физиологические границы гомеостаза, поэтому при длительном пребывании организма в условиях, значительно отличающихся от тех, к которым он приспособлен, гомеостаз нарушается и могут произойти сдвиги, не совместимые с нормальной жизнью. 

       Однако  адаптивные механизмы организма  не исчерпываются сохранением гомеостатического  состояния, поддержанием постоянства регулируемых функций. Например, при разного рода физических нагрузках направленность регуляции ориентирована на обеспечение оптимальных условий функционирования организма в связи с возросшими требованиями (учащение сердцебиения, дыхательных движений, активизации обменных процессов и др.). 

       Современная наука рассматривает организм как  саморегулирующуюся биологическую  систему, в которой все клетки, ткани, органы находятся в тесной взаимосвязи и взаимодействии, образуя  единое целое с высокой функциональной эффективность.. Еще И.П. Павлов подчеркивал « человек есть... система в высочайшей степени саморегулирующаяся, сама себя поддерживающая, восстанавливающая, поправляющая и даже совершенствующая». 

       Взаимосвязь функций и процессов обеспечивается двумя механизмами регуляции - гуморальным и нервным, которые в процессе биологического приспособления в животном мире являлись доминирующими, а затем постепенно трансформировались в регуляторы функций организма.  

       Гуморальный механизм ( от лат. «хумор» - жидкость) регулирования осуществляется за счет химических веществ, которые содержатся в циркулирующих в организме жидкостях (крови, лимфе, тканевой жидкости). Важнейшими из них являются гормоны (от греч. «хормон» - движущий), которые выделяются железами внутренней секреции. Попадая в кровоток, они поступают ко всем органам и тканям, независимо от того участвуют они в регуляции функций или нет. Только избирательное отношение тканей к конкретному веществу обуславливает включение гормона в процесс регуляции. Движутся гормоны со скоростью кровотока без определенного «адресата». Между различными химическими регуляторами, особенно гормонами, четко проявляется принцип саморегуляции. Например, если  становится избыточным количество инсулина (гормона поджелудочной железы) в крови, это служит пусковым сигналом к усилению продукции адреналина (гормона мозгового слоя надпочечников). Динамическое равновесие уровня концентрации этих гормонов обеспечивает оптимальное содержание сахара в крови. 

       Нервный механизм регулирования осуществляется через нервные импульсы, идущие по определенным нервным волокнам к строго определенным органам или тканям организма. Нервная регуляция совершенней гуморальной, поскольку, во-первых, распространение нервных импульсов идет быстрее (от 0,5 до 120 м/с) и , во-вторых, они имеют адресную направленность, т.е. по нейронным путям импульсы идут к конкретным клеткам или группам клеток. 

       Основным  нервным механизмом регуляции функций  является рефлекс ответная реакция  тканей или органов на раздражение, поступающее из внешней и внутренней среды. Он реализуется по рефлекторной дуге - пути, по которому идет возбуждение от рецепторов до исполнительных органов (мышц, желез), осуществляющих ответную реакцию на раздражение. Различают два вида рефлексов: безусловные или врожденные и условные или приобретенные. Нервная регуляция функций организма складывается из сложнейших взаимоотношений этих двух видов рефлексов. 

       Нервная и гуморальная регуляция функций  тесно взаимосвязаны и образуют единую нейрогуморальную регуляцию. Например, передатчиком нервного возбуждения является гуморальный (химический) компонент - медиатор, а деятельность многих желез внутренней секреции стимулируется нервными импульсами. Соотношение нервных и гуморальных звеньев в механизме управления функциями организма сводится к тому, что преобладание нервного компонента имеет место, если управляемая функция больше связана с раздражителями внешней среды, а возрастание роли гуморального механизма происходит по мере ослабления этих связей . 

       В процессе двигательной деятельности сокращаются мышцы, изменяет свою работу сердце, железы выделяют в кровь гормоны, которые, в свою очередь, оказывают усиливающее или ослабляющее воздействие на те же мышцы, сердце и другие органы. Иначе говоря, рефлекторная реакция сопровождается гуморальными сдвигами, а гуморальный сдвиг сопровождается изменением рефлекторной регуляции. 

       Функционирование  нервной системы и химическое взаимодействие клеток и органов  обеспечивают важнейшую способность  организма – саморегуляцию физиологических функций, приводящую  к автоматическому поддержанию необходимых организму условий его существования. Всякий сдвиг во внешней или внутренней среде организма вызывает его деятельность, направленную на восстановление нарушенного постоянства условий его жизнедеятельности, т.е. восстановление гомеостаза. Чем выше развит организм, тем совершеннее и устойчивее гомеостаз. 

         Суть саморегулирования состоит  в направленном на достижение  конкретного результата управления  органами и процессами их функционирования в организме на основе информации об этом, которая циркулирует в каналах прямой и обратной связи по замкнутому циклу, например, терморегуляция, боль и др.). Функцию каналов связи могут выполнять рецепторы, нервные клетки, циркулирующие в организме жидкости и др. Осуществляется саморегуляция по определенным закономерностям. Выделяют ряд принципов саморегулирования. 

         Принцип неравновесности выражает  способность живого организма  сохранять свой гомеостаз на  основе поддержания динамического  неравновесного, асимметричного состояния относительно окружающей среды. При этом организм как биологическая система не только противодействует  не благоприятным воздействиям и облегчает действие на него положительных влияний, но в отсутствие тех и других может проявлять  спонтанную активность., отражающую громадный объем деятельности по созданию основных структур. Закрепление результатов спонтанной активности во вновь возникающих структурах формирует основу явлениям развития.  

         Принцип  замкнутого контура  регулирования заключается в том, что в живой системе информация о реакции на поступившее раздражение определенным образом анализируется и в случае необходимости корректируется. Информация циркулирует по замкнутому контуру с прямыми и обратными связями пока не будет достигнут заданный результат. Примером может служить регуляция работы скелетных мышц. 

         Из центральной нервной системы  (ЦНС) к мышце поступает раздражение  по каналам прямой связи, мышца  отвечает на него сокращением  (или напряжением). Информация о  степени сокращения мышцы по каналам обратной связи поступает в ЦНС, где происходит сравнение и оценка  полученного результат относительно должного. В случае их несовпадения из ЦНС к мышце посылается новый корректирующий импульс. Информация будет циркулировать по замкнутому контуру пока мышечная реакция не достигнет нужного уровня. 

         Принцип прогнозирования состоит  в том, что биологическая система  как бы определяет свое поведение  (реакции, процессы) в будущем  на основе оценки вероятности  повторения прошлого опыта.  Вследствие такого прогноза в ней формируется основа предупредительной регуляции как настройки на ожидаемое событие, встреча с которым оптимизирует механизмы коррегирующей деятельности. Например, прогнозирующая сигнальная функция условного рефлекса; использование элементов сформированных прежде двигательных действий при освоении новых. 

       2.     Двигательная активность как  биологическая потребность организма 

         Двигательная активность всегда  была важнейшим звеном приспособления  живых организмов к окружающей среде и в процессе эволюции она сформировалась как биологическая потребность человека наравне с потребностями в пище, воде, самосохранении, размножении. 

                 Мышечная работа стимулирует  функциональную активность практически  всех органов и тканей, которая целенаправленно координируется нервной системой, вызывая соответствующие сдвиги в деятельности организма в целом. По ходу биологического развития организма двигательная деятельность совершенствовала механизмы регуляции вегетативных функций, что явилось важным фактором расширения возможностей адаптации человека к условиям существования. На этой основе сформировалась ведущая роль моторики во взаимодействии органов и систем, обеспечивающих в организме гармоничное развитие человека. Например, деятельные и подвижные дети лучше развиваются и более крепки здоровьем. Чем разнообразнее двигательная деятельность, тем совершеннее строение организма. 

                С возрастом, по мере приближения  к старости биологическая потребность  в движениях снижается, двигательная активность падает. Уменьшение физических нагрузок ведет к появлению атрофии внутренних органов, свертыванию активности функционирования организма в целом. К 70 годам мышечная масса уменьшается примерно, на 40%, особенно мышц, обеспечивающих сохранение позы. Почти вдвое уменьшается печень. Потребление кислорода на килограмм массы тела в минуту у 6-летнего ребенка составляет 7,35 литра, у 30-летнего - 4,1л, а в 90 лет -0,1л. 

                Низкая двигательная активность, гиподинамия (недостаток движений) отрицательно сказывается на работе адаптационных механизмов организма по отношению к физическим и психическим нагрузкам, изменениям внешних условий жизнедеятельности и их последствиям. Особенно неблагоприятное воздействие оказывает гиподинамия на развитие молодых и функционирование зрелых организмов. 

                Поскольку для современных цивилизованных  условий жизни человека характерен  малоподвижный режим работы и  отдыха (автоматизация, компьютеры, транспорт, средства связи и  т.д.), то единственным средством  борьбы с гиподинамией является физическая культура, спорт, основное содержание которых составляют физические упражнения. В процессе занятий физическими упражнениями (тренировок) удовлетворяется не только «мышечный голод», но и потребность организма в физических нагрузках. Тренированный организм отличается рядом особенностей, из которых профессор Эголинский Я.А. выделил следующие: 

       Устойчивость  и высокую стабильность физиологических  констант по 

       отношению к возмущающим воздействиям на организм физических упражнений. 

       Сопротивляемость  большим гомеостатическим отклонениям  на основе развитой способности к  высокой мобилизации функций  организма в связи со значительным диапазоном сдвигов во всей вегетативной среде, возникающим при интенсивной  двигательной деятельности. 

       Переносимость сильных отклонений гомеостатический констант, характерных для интенсивных физических нагрузок, благодаря выработанным свойствам организма сохранять необходимый уровень работоспособности при крайне неблагоприятных условиях , связанных с тяжелой и утомительной работой, большим недостатком кислорода, воздействием высокой и низкой температуры и др. 

       Известный физиолог Аршавкий И.А. рекомендует: для  предупреждения преждевременного старения и обеспечения физиологически полноценного долголетия так организовать физическую тренировку, чтобы достигнуть во взрослом состоянии экономичной работы сердца (45-50 уд/мин) и экономичного дыхания (не более 8-10 в минуту). Достигнуть таких показателей без целенаправленных занятий физическими упражнениями в молодости невозможно. 

       Занятия физическими упражнениями оказывают  многостороннее положительное влияние  на организм. 

       Так под влиянием сильных раздражителей  в организме человека может возникнуть сильное напряжение или стресс (Г.Селье). С помощью мышечных напряжений при постепенном нарастании физической нагрузки реакция тревоги начинает проявляться значительно слабее или исчезает совсем. После нескольких тренировочных занятий в организме развивается состояние повышенной устойчивости как в отношении мышечных нагрузок , так и к факторам, вызывающим стресс. 

       Физически тренированные люди по сравнению  с нетренированными более устойчивы  к недостатку кислорода (гипоксии). Выполнение различных физических упражнений (бег, плавание, гребля) сопровождается возникновением в организме в определенных объемах кислородного долга. При систематических занятиях (тренировках) совершенствуются механизмы регуляции деятельности организма в условиях гипоксии. 

       Исследованиями  установлено, что в результате физической тренировки возрастает устойчивость организма к действию токсических веществ. Многодневные мышечные нагрузки после радиоактивного облучения организма в некоторых случаях не только улучшает течение болезни, но и способствует выздоровлению. У людей, работающих с радиоактивными веществами, картина крови никогда не ухудшается так, как у слабо физически подготовленных людей. 

       У занимающихся спортом людей после  соревнований или интенсивных тренировок количество лейкоцитов в крови обычно повышено. Этот механизм, отмечает профессор  Фарфель В.С., развился у наших предков в качестве предохранительного фактора, обеспечивающего готовность к отражению возможного попадания в организм инфекции при случайном ранении во время охоты или защиты от нападения. Усиленная выработка лейкоцитов при работе потеряла в какой-то мере свое первоначальное значение, но сохранила другое : человек, совершающий мышечную работу как бы упражняет свои кровеносные органы в выработке защитных кровяных телец. 

       У нетренированного человека при температуре  тела 37-380  наступает резкое снижение физической работоспособности, а спортсмены даже при температуре 410 могут справиться с очень большой физической нагрузкой. 

       Постоянными спутниками мышечной деятельности являются утомление и восстановление. В  процессе работы организм расходует свои энергоресурсы, в период отдыха - восполняет. 

       Обычно  утомление рассматривают, как временное  снижение работоспособности, вызываемое интенсивной или длительной работой. Мышечная деятельность связана с  вовлечением в работу многих органов  и систем (мышцы, внутренние органы, железы), функциональная активность которых координируется центральной нервной системой ЦНС. Происходит сложный процесс приспособления организма к условиям деятельности, в ходе которого на фоне возникающего дефицита энергетических веществ происходит разлад в координационной работе нервных центров с доминированием тормозных реакций, понижающих уровень работоспособности. Развивающееся утомление является защитной реакцией, предохраняющей от истощения энергетических ресурсов и нарушений в регуляции функций организма. 

       Академик  Фольборт Г.В. и другие ученые показали, что утомление является естественным стимулятором интенсивных восстановительных  процессов, обеспечивающих повышение  работоспособности. Сущность физиологических  перестроек под влиянием мышечной деятельности состоит в том, что  вызванные работой функциональные сдвиги не только выравниваются во время отдыха  до исходного уровня, но и повышаются до более высокого уровня. Происходит сверхвосстановление, степень выраженности которого зависит от интенсивности выполняемой работы. 

       Таким образом, устраняющие дефицит двигательной активности современного человека занятия  физическими упражнениями, тренировки с оптимальными нагрузками стимулируют  в организме активность работы механизмов адаптации к их воздействию. Вследствие этого в мышцах, скелете, сердечно-сосудистой, дыхательной       и других системах и органах происходят прогрессивные физиологические изменения, способствующие расширению функциональных возможностей, совершенствованию структурных свойств организма в целом, увеличению его гомеостатического потенциала. 

       3.     Влияние двигательной активности  на органы и системы организма 

       Двигательная  деятельность, занятия физическими  упражнениями, спортом оказывают  многостороннее влияние на организм, которое проявляется как на конкретном занятии и после его окончания (срочный эффект), так и в виде суммарного результата воздействий многочисленных тренировок (кумулятивный эффект). 

       Срочный эффект складывается из целого ряда изменений  в работе органов и систем (возрастает частота пульса, дыхания, активизируются обменные процесс), степень выраженности которых зависит от сложности, продолжительности, интенсивности мышечной деятельности. Возникшие по ходу тренировки изменения сглаживаются в ближайший период восстановления. 

       Кумулятивный  эффект характеризуется более значительными, широко выраженными, стойкими функциональными  и структурными изменениями в  организме. По ним различают тренированного человека от нетренированного. 

       3.1.          Костная система 

       Костная система состоит из более 200 костей, соединенных с помощью суставов в подвижные сочленения, образуя  скелет. Скелет служит опорой для тела, защищает внутренние органы от внешних  воздействий, выполняет двигательную функцию. Вес скелета человека составляет 18 % общей массы тела. 

       Костная ткань представляет собой сложный  орган, пронизанный нервными волокнами, кровеносными и лимфатическими сосудами. В ее состав входят неорганические вещества -50 %, придающие костям прочность  и твердость; органические вещества - 25 %, делающие кости упругими и эластичными; вода - 25 %. Установлено, что ежедневно в организме обновляется от 10 до 20 % минеральных веществ костной ткани. 

       За  весь период роста человека масса  костного скелета возрастает почти  в 24 раза. Кости увеличиваются в длину и толщину. На обоих концах костей есть прослойка хряща, по мере окостенения которого, они становятся длиннее. Толщина костей увеличивается за счет новых слоев костной ткани, образуемых надкостницей. 

       Кости развиваются активнее, чем интенсивнее деятельность окружающих  их мышц, поскольку питание костной ткани зависит от полноценности кровоснабжения работающих мышц. При выполнении различных двигательных действий кости подвергаются скручиванию, сдавливанию, растягиванию, в результате чего в них увеличивается поступление органических веществ. Под влиянием тренировочных занятий в костной ткани происходят структурные изменения, благодаря которым кости приобретают более высокую механическую прочность.  

       В местах прикрепления мышц (сухожилий) на поверхности костей имеются гребни, бугры, шероховатости. Они выражены тем больше, чем сильнее развиты мышцы. Например, под воздействием тренировочных нагрузок у штангистов изменяется форма лопатки и утолщается ключица, у бегунов происходит утолщение большой берцовой кости и т.д. Такие изменения носят адаптационный характер и протекают как благоприятные, прогрессивные, связанные с рабочей гипертрофией. Общие адаптационные изменения имеют место во всех костях скелета, а локальные - в наиболее нагружаемых его отделах ( у метателей - правая рука, у прыгунов - толчковая нога и др.). 

       Кости соединяются с помощью суставов, главная функция которых состоит  в осуществлении движений. Каждый сустав заключен в суставную сумку, имеющую два слоя, внутренний и  наружный. Внутренний слой вырабатывает синовиальную жидкость, которая служит питательной средой для сустава, увлажняет и смазывает суставные поверхности. Полость сустава герметически замкнута. В наружном слое имеются связки, укрепляющие сустав. Связки отличаются механической крепостью, обладают растяжимостью. Наиболее мощные связки расположены в области тазобедренного, коленного и локтевого суставов. 

       3.2.          Мышечная система 

       Мышечная  система включает около 600 различных  мышц, составляющих 40-50% массы тела у мужчин и 30-35 % - у женщин. Различают мышцы: гладкие, выстилающие стенки сосудов и входящие в состав внутренних органов ; сердечную мышцу (миокард) ; скелетные или поперечно-полосатые мышцы. 

       Функция скелетных мышц состоит в обеспечении  передвижений человека в пространстве, перемещении частей тела относительно друг друга и поддержании позы. Скелетная мышца состоит из совокупности мышечных пучков, каждый из которых заключает в себе множество мышечных клеток вытянутой формы, благодаря чему получивших название мышечных волокон. Диаметр мышечных волокон колеблется от 0,1 до 0,01 мм , а длина в отдельных случаях достигает 10-12 см. Пучок мышечных волокон окружен оболочкой из соединительной ткани, которая переходит в сухожилие и с его помощью мышца с обоих концов прикрепляется к скелету. В состав разных мышц входит неодинаковое количество волокон, оно колеблется от сотен до многих тысяч. Количество волокон в мышце устанавливается через 4-5 месяцев после рождения и затем практически не изменяется. Увеличиваются только их размеры.