Классификация работы по степени тяжести. Кислородный запрос и кислородный долг
Работы, выполняемые в условиях современного производства в зависимости от мощности, т. е. количества работы, выполняемой в единицу времени, могут быть распределены на три группы: 1) легкие, 2) средней тяжести и 3) тяжелые. К легким работам могут быть отнесены работы, характеризуемые величиной потребления кислорода менее 0,5 л/мин. Если учесть, что в состоянии полного покоя человек потребляет в 1 минуту 200—250 см3 кислорода, потребление кислорода при легкой работе может возрастать не более чем в 2—2,5 раза. Увеличение потребления кислорода во время работы связано с тем, что необходимая для мышечной работы энергия в конечном итоге получается в результате сгорания пищевых веществ.
Однако в отдельных случаях увеличение потребления кислорода может происходить не одновременно с выполняемой работой. Так, при беге с максимальной скоростью в течение 13 секунд потребление кислорода не успевает значительно увеличиться и увеличивается позднее, после окончания бега.
Отсюда следует, что мышечная работа может совершаться в известной мере без потребления кислорода и что кислород, не участвующий первично в биохимических процессах, связанных с мышечной деятельностью, осуществляет свою роль позднее — в процессах, разыгрывающихся после работы. Все биохимические процессы, связанные с мышечной работой, могут быть разделены на анаэробные, т. е. протекающие без участия кислорода, и аэробные, т. е. протекающие с участием кислорода, или окислительные процессы. Первые, более ранние по времени, называются анаэробной фазой мышечной работы, вторые, более поздние, — аэробной фазой.
Последовательные механические и биохимические явления в мышце во время ее сокращения, согласно современным представлениям, развиваются следующим образом. Под влиянием неявных импульсов. притекающих к мышце из центральной нервной системы, в мышце благодаря ее составу и строению возникает возбуждение, т. е. усиление процессов, свойственных ей. При возбуждении увеличивается эластичность мышцы — сопротивление удлинению, вследствие чего в ней возникает эластическое напряжение, вызывающее ее укорочение. Возбужденная мышца, укорачиваясь, может преодолеть сопротивление на некотором отрезке пути, т. е. произвести работу.
Энергия для этой работы получается в результате биохимических превращений богатых энергией химических веществ, содержащихся в мышечной ткани. Среди этих веществ особое значение принадлежит углеводу мышцы — гликогену, мышечному белку — актиомиозину и аденозинтрифосфорной кислоте, относящейся к экстрактивным веществам мышцы. Нервные импульсы, приходящие к мышце из нервных центров, заставляют аденозинтрифосфорную кислоту войти в соприкосновение с актиомиозином мышцы. Под действием аденозинтрифосфорной кислоты тончайшие микроскопические волокна актиомиозина в мышце укорачиваются, причем аденозинтрифосфорная кислота превращается в аденозиндифосфорную кислоту — вещество, содержащее значительно меньший запас энергии.
За счет освободившейся энергии развивается работа сокращения мышцы. Поскольку в мышце имеется актиомиозин и аденозинтрифосфорная кислота, на каждый нервный импульс или группу импульсов мышца реагирует сокращением и производит работу. Соответствующие биохимические реакции происходят быстро под действием ферментов — особых веществ, присутствующих в небольших количествах и играющих роль ускорителей биохимических процессов. В частности, белку — актиомиозину — свойственна роль фермента, ускоряющего переход аденозинтрифосфорной кислоты в аденозиндифосфорную кислоту.
Эта реакция протекает с освобождением фосфорной кислоты, которая в дальнейшем вступает в соединение с гликогеном, образуя гексозофосфорные кислоты, способные подвергаться дальнейшему расщеплению. Запасы аденозинтрифосфорной кислоты в мышце ограничены (0,25—0,40% веса мышцы), поэтому мышечные сокращения могут поддерживаться за счет наличной аденозинтрифосфорной кислоты лишь в течение очень непродолжительного времени. Начавшаяся работа мышцы может быть продолжена только при том условии, если израсходованная аденозинтрифосфорная кислота, или, как ее еще называют, аденозинтрифосфат (АТФ), будет вновь воспроизведена из аденозиндифосфата (АДФ), для чего требуется приток энергии.
Требуемая энергия частично получается из реакции расщепления имеющегося в мышце в небольшом количестве креатинфосфата. Главным же источником энергии является реакция распада гликогена, который при участии освободившейся из креатинфосфата и АТФ фосфорной кислоты превращается сначала в гексозофосфорные кислоты, затем в молекулы сахара — гексозы (C6H12О6) и далее в молочную кислоту (С3Н6О3). В результате постоянного освобождения энергии, происходящей из распада гликогена, мышечные сокращения могут осуществляться более продолжительное время, а именно до тех пор, пока не произойдет значительного накопления в мышечной ткани молочной кислоты, которая парализует дальнейшую работу мышцы, так как изменяет химическую реакцию среды и тем препятствует действию ферментов, проявляющемуся только при определенной реакции.
Молочная кислота в относительно небольших количествах медленно удаляется из мышцы в кровяное русло и уносится током крови в другие органы. Для поддержания работы в течение продолжительного времени основная часть образовавшейся молочной кислоты должна непрерывно устраняться в самой мышце, что фактически и происходит: молочная кислота частично окисляется, соединяясь с кислородом, поступающим в мышцу с кровью, до конечных продуктов окисления органических веществ — углекислоты (СO2) и воды (H2О); оставшаяся молочная кислота за счет освободившейся при окислительных процессах энергии синтезируется обратно в исходный продукт, т. е. гликоген. Обычно от 1/5 до 1/4 всей образовавшейся молочной кислоты окисляется, а остальные 4/5-3/4 ресинтезируются в гликоген. Итак, во время анаэробной фазы мышечные сокращения поддерживаются за счет распада углеводов мышцы (гликогена) при участии фосфорной кислоты, конечным продуктом которого является молочная кислота (С3Н6О3).
То количество кислорода, которое необходимо для полного окисления всего количества продуктов распада, образующихся за 1 минуту, называется кислородным запросом, или кислородной потребностью. В начале работы окислительному устранению подвергается только часть образовавшейся молочной кислоты. Остальная же молочная кислота временно накапливается в мышцах и переходит в кровь.
