Шли годы, проводились все новые опыты. В качестве объекта исследования в лаборатории прочно вошел нервно-мышечный препарат лягушки. Изолированную мышцу заставляли сокращаться в разных условиях — в присутствии кислорода, атмосфере азота, в особом бескислородном растворе. Результаты подорвали позиции сторонников «кислородной теории»; без кислорода мышца сокращалась, хотя и меньше.
1922 год. Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена двум выдающимся ученым — Хиллу и Мейергофу. Им удалось не только открыть новый путь образования энергии, но и создать стройную по тому времени теорию химических превращений в организме. Было установлено, что гликоген распадается без кислорода, образуя молочную кислоту. При этом выделяется значительное количество энергии. Химическая цепочка реакций завершается уже в присутствии кислорода. Окисление молочной кислоты сопровождается образованием большого количества энергии.
Последующие научные открытия убедительно показали, что энергетический обмен может протекать и без гликолиза, то есть без распада гликогена. Следовательно, существуют какие-то другие виды «горючего». Вещества вскоре были] найдены —ими оказались богатые энергией фосфорные соединения, получившие название макроэргических.
Немногим более 50 лет назад немецкий ученый К. Ломан, исследуя мышцы кролика, обнаружил сложное химическое соединение — аденозинтрифосфорную кислоту (сокращенно АТФ). Формула строения этого вещества достаточно сложна: если ее написать, она займет четверть страницы, поэтому ограничимся лишь упрощенным пояснением. АТФ состоит из аденозина (обозначим его буквой А) и трех остатков фосфорной кислоты (Р). Следовательно, схематично АТФ будет выглядеть так: A—Р—Р—Р. Если АТФ при разрушении фосфатных групп теряет один фосфат, то получается другое вещество — аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и выделяется энергия. Напротив, чтобы снова присоединить фосфат к АДФ, требуется затратить энергию.
Любопытно, что взаимоотношения между АТФ и АДФ напоминают заколдованный круг. Чем выше концентрация АДФ в клетке, тем выше скорость синтеза АТФ и дыхания тканей. Но уровень АДФ, в свою очередь, зависит от скорости распада АТФ. Вот и получается, что усиление одного процесса неминуемо влечет активизацию другого. Саморегуляция биологической системы, выработанная природой, позволяет управлять, контролировать один из механизмов энергетики живого организма.
Учитывая огромное и многообразное значение АТФ, ей присвоили разные «прозвища»: «банк» энергии, «аккумулятор на колесах» и др. Сегодня процесс образования энергии представляется следующим образом. В клетках находятся мельчайшие образования митохондрии (рис. 2), которые образно называют энергетическими станциями. В митохондриях насчитывается свыше 50 ферментов, участвующих в разрушении и синтезе различных химических соединений. В клетке может быть до 2000 митохондрий. На их наружных и внутренних поверхностях располагаются тысячи мельчайших частиц. Они содержат эффективные биохимические системы, обеспечивающие синтез веществ, богатых энергией. Подсчитано, что энергия их на единицу массы мышц равна энергии двигателей реактивного самолета при вертикальном подъеме, а КПД равен примерно 80%, что намного выше КПД многих реактивных двигателей. Примерно половина энергии, образующейся в митохондриях, превращается в тепло, оставшаяся часть консервируется в виде химических связей молекул АТФ. Но, увы, запасы АТФ в клетке относительно невелики, поэтому мышца сможет работать только в том случае, если они непрерывно пополняются.
И здесь опять сделаем экскурс в историю. В 1930 году советский биохимик В. А. Энгельгардт установил, что в красных кровяных тельцах крови — эритроцитах — АТФ может заново синтезироваться. То же наблюдается и в мышечной клетке. Наряду с распадом АТФ происходит обратное ее восстановление (резинтез), биологический смысл которого огромен. Если одновременно с распадом не протекал бы обратный синтез источников энергии, то энергетические кладовые быстро бы истощались. В этом отношении АТФ сравнивают с аккумулятором, который не только разряжается, но и заряжается «на ходу».
Схематично весь процесс образования энергии выглядит так. Источником энергии для мышечного сокращения является АТФ. Чтобы мышца длительно сокращалась, необходима не только трата АТФ, но и ее непрерывное восстановление. Энергия для этого черпается путем окисления «горючих» веществ — углеводов, жиров и белков.
Восстановление АТФ идет двумя путями: 1) анаэробным, то есть без участия кислорода; 2) дыхательным, или аэробным, то есть с участием кислорода. Одна анаэробная
реакция — распад особого химического соединения — креатин- фосфорной кислоты (КТФ), обеспечивающий быстрое восстановление АТФ. Однако запасы КТФ также ограничены и при продолжительной работе быстро истощаются. Большими возможностями располагает другая анаэробная реакция — распад гликогена.
Открытие гликолиза связано с именем английского биохимика Кребса, который в 1937 году описал цикл химических реакций (цикл Кребса) окисления углеводов. Как это происходит? Сначала на биохимическом конвейере глюкоза (СбН12О6) «разрезается» пополам на две молекулы пировиноградной кислоты. Затем включается другой конвейер, где 10 ферментов заканчивают окисление углеводов до конечных продуктов — CO2 и Н2О. Этот процесс протекает медленнее, но действует значительно дольше — энергии хватает на несколько минут напряженной работы.
Наиболее эффективным является второй путь восстановления АТФ —аэробное окисление углеводов. Оно позволяет мышце работать в течение нескольких часов. Основная энергетическая реакция — кислородная — как бы подхватывает эстафету от бескислородной фазы и завершает весь цикл энергетических реакций (рис. 3).
Рис.3. График цикла энергетических процессов при мышечной деятельности (по Н.И.Волкову). В первые секунды идет креатинфосфатная реакция, затем – гликолиз. Завершает весь цикл энергетики процессов дыхание.
Таким образом, результативность любой мышечной деятельности, в том числе и бега, в значительной степени зависит от аэробных возможностей (аэробной производительности) организма - способности полнее удовлетворять кислородный запрос. Важный тест аэобныхых возможностей - максимальное потребление кислорода (МПК). Этот показатель отражает эффективность взаимодействия дыхательной, сердечно-сосудистой, кровеносной систем. Не случайно наибольшая величина МПК – 5,5-6,5л (70-85 мл/кг/мин) установлена у высококвалифицированных спортсменов. Так у выдающегося бегуна П. Болотникова МПК
Составляло 83 мл/кг/мин.
Рассмотрим некоторые составляющие теста аэробной производительности. Внешнее дыхание - система, обеспечивающая вентиляцию легких. Оно зависит от жизненной емкости легких (ЖЕЛ), частоты и глубины дыхания, способности к максимальной вентиляции (рис. 4)
Рис. 4. Основные факторы, лимитирующие максимальное потребление кислорода.
Для достижения высокого уровня потребления О2 во время бега необходимо, чтобы через не менее 180-200л воздуха. В противном случае кровь не полностью насытится кислородом и мышцы недополучат его при беге.
Дыхательная и сердечно-сосудистая системы связаны настолько тесно, что иногда их объединяют под общим названием — кардиореспираторная система. Сердце — этот неутомимый насос жизни, в значительной степени лимитирует максимальное потребление кислорода. Возможно даже, что легкие будут вентилировать много воздуха, но пропускная способность сердца не позволит его транспортировать в нужном количестве. Не случайно сердце чаще, чем другие органы, подвергается перегрузкам. Активная физкультура и спорт налагают существенный «отпечаток» на работу сердца, поэтому говорят даже о «спортивном сердце», отличающемся структурными и функциональными особенностями, которые определяют его высокую производительность.
Советские ученые В. Л. Карпман, С. В. Хрущев и Ю. А. Борисова (1978) выявили взаимосвязь между объемом сердца и работоспособностью спортсмена — чем выше его квалификация и уровень тренированности, тем больше размер сердца. Например, у бегунов на средние и длинные дистанции объем сердца составляет 1020 см3 (14,9— 15,2 см3/кг). Увеличение размеров сердца как в зеркале отражает рост его резервных возможностей. А это, в свою очередь, определяет более рациональное соотношение сердечного выброса и частоты сердечных сокращений во время бега, позволяет сердечной мышце за минуту выбросить 35—40 л крови. Сердце, обладающее меньшими резервами, не может обеспечить необходимый транспорт кислорода.