ПРОМЕНИ В ДИШАНЕТО ПРИ ФИЗИЧЕСКИ НАТОВАРВАНИЯ

Проф. Доротеа Стефанова, проф. Константин Бичев, проф. Елена Киселкова

Физическата работа и натоварванията в спорта са свързани с многократно увеличаване на разхода на енергия. За нейната продукция са необходими освен източници на енергия така също и кислород. Поради това физическите натоварвания се придружават със значителни изменения във функциите на дишането и кръвообращението, т.е. на т. нар. кардиореспираторна система която доставя кислород на работещите мускули.

Временни (остри) промени

Едновременно с началото на физическото натоварване започва и активиране на дихателните функции - дишането се учестява и задълбочава. Физиологичният смисъл на тази реакция е да се поддържа алкално-киселинното равновесие на кръвта чрез запазване на състава на алвеоларния въздух. Един все още неизяснен въпрос във физиологията на дишането е: кой е първоначалният дразнител на дихателния център стимулиращ активността му.

Съвършено логично е да се потърси причината в парциалното налягане на CO2 в достигащата до продълговатия мозък артериална кръв, като се има предвид, че въглеродният диоксид е най-силният химичен дразнител на дихателния център. Опитите обаче показват, че белодробната вентилация може да бъде десеторно увеличена без концентрацията на въглеродния диоксид да се е променила. Следователно при физическо натоварване увеличената концентрация на въглеродния двуокис не е причина за хипервентилацията, която го придружава. 

Причина не е и увеличената концентрация на водородните йони в кръвта, нито пониженото кислородно съдържание на артериалната кръв, защото белодробната вентилация се увеличава и без те да бъдат съществено изменени. Следователно споменатите вече хуморални дразнители отпадат като първоначални фактори за учестяване на дишането при физическа работа.

Многобройни изследвания потвърждават че нервните механизми осигуряват необходимата обмяна на въздуха в белите дробове, която поддържа постоянни pCO2 и pH на кръвта. Важна роля играят аферентните сигнали от съкращаващите се и мускули на крайниците и на дихателните мускули. Немалко значение има и условно-рефлекторната регулация на дишането, тъй като за много спортни дисциплини дишането е част от спортната техника. Вероятно в регулацията на дишането при физическа работа участва цял комплекс от въздействия, включващи се през различните фази на натоварването в зависимост от интензивността и продължителността му и засягащи различните страни на дихателния процес.

Промени в честотата и дълбочината на дишането

Честотата и дълбочината на дишането определят величината на белодробната вентилация. При физическо натоварване е необходимо последната да бъде висока, чрез което се постига високо парциално налягане на кислорода в алвеоларния въздух и възможност кръвта да пренася по-големи количества кислород до мускулатурата.

Белодробната вентилация може да бъде увеличена по няколко начина:

• учестяване на дишането при непроменена или дори намалена дълбочина;
• увеличаване на дълбочината на дишането при малко увеличение на честотата му;
• увеличаване на честотата и дълбочината на дишането.

За организма съвсем не е безразлично по кой от трите начина ще бъде достигната висока белодробна вентилация. Ако спортистът диша по първия начин, като увеличи честотата на дишането например до 80 пъти в минута той неминуемо ще намали дихателния обем. Това означава че всеки път той ще издишва малко количество въздух. Следователно в белите дробове освен остатъчния ще остане още голямо количество резервен въздух с понижено парциално налягане на кислорода. При следващото плитко вдишване към него ще се добави малко атмосферен въздух и парциалното налягане на кислорода в алвеоларния въздух ще се увеличи незначително. Тук трябва да се има предвид че при всяко вдишване около 150 ml остават неизползвани във въздухоносните пътища.

При дишане по втория начин времето за дифузия на газовете в белите дробове е достатъчно и парциалното налягане на кислорода в алвеоларния въздух при всяко ново вдишване се повишава. Но дишане с дълбочина близка до жизнената вместимост например 4 l е твърде уморително за дихателната мускулатура. Да се диша по този начин е възможно сравнително кратко време. Освен това дихателната мускулатура също консумира кислород при своите съкращения а при физическата работа той в повечето случаи е недостатъчен. От тази гледна точка първите два начин на дишане по време на физически натоварвания са неикономични, а регулаторните механизми установяват преди всичко икономични взаимоотношения между функциите на организма.

Най-изгоден за организма е третият начин на дишане, при който се установяват оптимални взаимоотношения между честотата и дълбочината на дишането. Най-подходящата честота е 30-40 дишания в минута, която позволява дълбочината му да нарасне значително - до 60-70% от жизнената вместимост.

Промени в обема на белодробната вентилация при различни по характер натоварвания

Белодробната вентилация определя макар и в известни граници величината на кислородната консумация. При добре тренирани спортисти при физическо натоварване, което дава възможност да се активират максимално дихателните функции, минутния дихателен обем може да надхвърли 100-150 l, а в някои отделни случаи да достигне и до 200 l в минута. Увеличаването на белодробната вентилация върви линейно с увеличаване на натоварването само до определено ниво на интензивност на работа. При по-нататъшно увеличаване на интензивността белодробната вентилация се покачва в по-голяма степен, отколкото извършената работа.

Ако белодробната вентилация се изрази в отношение към величината на кислородната консумация в условията на лека работа тя е 20-25 литра за литър кислород, а при максимална работа тя стават 30-35 литра за един литър кислород.

Освен от физическото натоварване белодробната вентилация зависи и от индивидуалните особености на организма на спортиста. Такава е например икономичността на дишането, която се изразява в различната степен на използване на наличния кислород. При неикономичен тип дишане минутната белодробна вентилация се повишава повече. От значение е и спортната техника, която предполага икономичност на движенията. Спортист с добра спортна техника ангажира възможно най-малък брой мускулни групи, докато за начинаещия е характерно, че съкращава и допълнителни мускулни групи, които също консумират кислород.

При една и съща по обем и интензивност работа добре тренираният спортист показва по-малка минутна белодробна вентилация от нетренирания, проявявайки по този начин икономичността във функционирането на организма си.

Промени в консумацията на кислород при физическа работа с различна интензивност

Количеството кислород, което кардио-респираторната система доставя на работещите органи, т.е. кислородното снабдяване или консумация на кислород е около 0,250 0,300 l/min в покой. При физическо натоварване тя се повишава многократно и може да достигне 4-6 и даже 6,5 l/min. Нейната величина се определя от кислородната необходимост на организма, т.е. от количеството кислород необходимо за извършване на съответната работа, респективно от мощността (интензивността) на извършваната работа. За единица време мускулатурата може да реализира толкова повече механична работа, колкото повече енергия тя може да произведе, а най-голямата част от енергията се получава в резултат на химични процеси, в които участва кислород. Ето защо между интензивността на физическото натоварване и кислородната консумация съществува тясна връзка. При едно и също по обем и мощност натоварване тренираният организъм по-бързо повишава дишането си до работното му ниво, отколкото нетренирания.

Зависимостта между мощността на работата и кислородната консумация обаче не е строго линейна.

При извършване на физическа работа винаги съществуват моменти, в които кислородната набавка не задоволява кислородната необходимост:

• в началото на работата до момента на достигане на работното ниво на кислородна консумация;
• по време на работата, ако мощността ѝ надхвърля нивото на максималната кислородна консумация.

В резултат на създалия се недостиг на кислород окислителните процеси в организма не могат да протекат докрай и се натрупват значителни количества неокислени продукти (млечна киселина и пирогроздена киселина). Такова състояние на недобавен по време на работата кислород се означава като кислороден дефицит (разликата между кислородната необходимост и кислородната набавка).

Кислородната необходимост при различните по характер натоварвания е различна. Например при 100 m гладко бягане тя е около 10 l кислород, а при 100 km бягане със ски 1500 l. Почти цялата работа при бягането на 100 m се извършва в условия на кислороден дефицит, т.е. в анаеробни условия. При второто натоварване кислородната необходимост е значително по-голяма като абсолютната величина, но поради по-дългото времетраене, за единица време тя е всъщност по-малка. Дишането има време да се адаптира и да се установи на ново, работно ниво, като задоволява кислородната необходимост. В началото на работата се натрупва кислороден дефицит, но той не е в големи количества.

Максимална кислородна консумация (VO2max)

Означава се още като максимален аеробен капацитет или максимална аеробна мощ. Тя е един от важните показатели по които съдим за степента на тренираност на кардио-респираторната система и е максималното количество кислород което спортистът може да консумира за една минута. В организма тя бива ограничавано от различни фактори от страна на дишането и кръвообращението: скорост на дифузия на газовете в белите дробове, ударен и минутен обем на сърцето, кислородна вместимост на кръвта, артериално венозна разлика за кислорода, способност за използване на кислорода от митохондриите на мускулните влакна и др. Има данни и за генетична обусловеност на максималната кислородна консумация.

Максималната кислородна консумация на мъжете е по-висока от тази на жените, изменя се с възрастта като нараства до 18-20 години след което постепенно намалява.

Под влияние на целенасочена спортна тренировка аеробната мощ на индивида нараства значително. Определянето на максималната кислородна консумация има голямо значение за практиката, тъй като е резултат на цял комплекс от функции определящи физическата работоспособност на спортиста. Голямата максимална кислородна консумация говори за висока степен на тренираност на дихателната и сърдечно-съдовата система. Установена е връзка между максималната кислородна консумация на спортиста и неговите постижения в дисциплини с по-голяма продължителност.

При нетренирани хора максималната кислородна консумация е 2-3 l/min, докато при спортисти с висока квалификация тя може да надхвърли 6-6,5 l/min. 

Устойчиво състояние

Със започване на физическото натоварване започна, както вече бе отбелязано и повишаване на кислородната консумация. Нейното покачване продължава дотогава, докато реализираната кислородна набавка започне да задоволява кислородната необходимост за дадения вид работа. В случай че работата продължи със същата интензивност то кислородната консумация ще остане на същото ниво. Именно това състояние на дишането при което консумацията на кислород остава непроменена и задоволява кислородната необходимост на организма е наречено от Хил (Hill) устойчиво състояние или steady-state.

Устойчиво състояние се установява например при ходене или при физически натоварвания с голяма продължителност (маратонски дисциплини). При тях по време на по-голяма част от дистанцията не се натрупва кислороден дефицит. Такъв се получава в началото на състезателното разстояние до момента на достигане на устойчиво състояние (обикновено за около 3 минути) при промяна на интензивността по време на дистанцията и на финалния спринт.

Има случаи обаче когато кислородната консумация по време на натоварването престава да се увеличава, но устойчивото състояние не е настъпило. Такова е положението например при бягане на 3000 m. Времетраенето на натоварването е достатъчно за да се достигне високо работно ниво на дишането. Кислородната консумация достига до своята максимална величина и повече не се повишава. Организмът обаче се нуждае от повече кислород, кислородната му набавка е недостатъчна и през цялото времетраене на натоварването се натрупва кислороден дефицит. Такова състояние, при което кислородната консумация се задържа на едно и също ниво без да задоволява кислородната необходимост се нарича мнимо или лъжливо устойчиво състояние. Именно в такива условия на кислородно снабдяване на организма протичат повечето дисциплини в много видове спорт.

При трайните високоинтензивни физически натоварвания (спринтовите дисциплини в леката атлетика) до устойчиво състояние въобще не се стига. Кислородният дефицит нараства до максималната си величина и става причина работата или да продължи с по-малка интензивност (свързана с по-малка кислородна необходимост) или да се прекрати.

Мъртва точка и второ дишане

При недобре подготвени спортисти или много често в случай на неспазване на основни принципи при изпълнение на тежка физическа работа се появяват смущения в цялостната регулация на организма известни под названието „мъртва точка“. Най-често тя настъпва при циклични видове спорт. За първи път признаците ѝ са били подробно описани през 1926 година от Ewig при гребци, в първите минути на натоварвания с висока интензивност и сравнително по-голяма продължителност. Мъртвата точка се проявява със силно учестяване на дишането, ритъмът му обаче е нарушен, а дълбочината - намалена. Парциалното налягане на въглеродния двуокис в алвеоларния въздух и в кръвта е високо и това води до силно спадане на pH на кръвта. Пулсовата честота също силно се повишава. Всички тези изменения показват наличие на разстройство в регулаторните механизми на организма, той не е в състояние да се адаптира към условията на интензивно физическо натоварване.

Мъртвата точка се съпровожда с неприятни субективни усещания - гръдния кош е скован и не може да се разшири за да поеме достатъчно количество въздух, движенията на крайниците са също сковани. Появяват се болки и в сърдечната област. В резултат на тази криза неопитният спортист може да се откаже от по-нататъшната борба.

Мъртвата точка е резултат от несъответствието между нивото на двигателната активност на спортиста и работното ниво на функциите на кардио респираторната система. Човек може волево да повиши в значителна степен дейността на двигателния апарат - например да повиши рязко скоростта на бягане. Високата интензивност и повишените нужди от енергия изискват съответното осигуряване с източници на енергия и кислород, които се достигат именно от дишането и кръвообращението. Това обаче са вегетативни функции, които не се повлияват волево и повишават активността си по-бавно от мускулатурата. Когато спортистът не се съобрази с това положение и веднага след старта установи високо ниво на двигателна активност, от което вегетативните функции изостават, се стига до несъответствие между тях, външен израз на които са признаците на мъртвата точка. Набавката на кислород не може да задоволи бързо нарастващите кислородни нужди, млечната киселина в кръвта бързо нараства и кислородния дефицит започва рязко да се увеличава и понякога дори надхвърля допустимите гранични стойности. Едновременно с това в резултат на усилените обменни процеси започва да се освобождава значително количество топлина. Тъй като обаче терморегулаторните механизми на организма се адаптират по-бавно става натрупване и задържане на топлина. Всичко това води до значителни смущения в състоянието на организма, израз на което е описаната мъртва точка. Настъпилите промени дават силно отражение върху дейността на централната нервна система. Като защитна реакция срещу нарушената хомеостаза силата на възбудните процеси в двигателната зона на кората на главния мозък намалява което води до намаляване на интензивността на физическата работа.

Мъртвата точка е състояние от което може да се излезе. Необходимо е да се създадат условия на вегетативните функции да се адаптират към двигателната дейност - интензивността на натоварването трябва да се намали. Необходимо е в този момент голямо волево усилие, за да се преодолеят неприятните усещания. Преодоляването на това състояние намира израз в така нареченото „второ дишане“. Това е моментът когато кардио-респираторните и терморегулаторните функции се адаптират към изискванията на физическите усилия. Дишането, достигнало необходимото ниво се облекчава като се придружава от усилено потоотделяне (отстранява се натрупаната топлина). Всичко това се придружава от субективното усещане за прилив на физически сили.

Мъртвата точка възниква при интензивни натоварвания с времетраене обикновено около и над 2 min (например бягане на 800 m, 10 km и така нататък). Времето на възникването ѝ е различно и зависи от интензивността на натоварването. Например при 800 m тя се проявява към 40-50 s, а при по-дълги дисциплини (пет или десет километра) - към петата минута след старта.

Настъпването на мъртвата точка може да бъде предотвратено, ако се спазва принципът за постепенност в натоварването. Голямо значение в този случай има разгряването на спортиста.

Съществена роля играе и тренировката - натоварванията в тренировъчни условия трябва да се доближават до тези на състезанието, спортистът трябва да познава явленията на мъртвата точка и да знае как да излезе от нея.

Взаимодействие между функциите на дишането и кръвообращението

Вече многократно беше изтъкната тясната зависимост, която съществува между функциите на дишането и кръвообращението. Различните промени в дишането при физическа работа се придружават от съответни промени в кръвообращението, тъй като в противен случай не би могла да се осъществи обмяната на газовете в белите дробове и тъканите.

При физическо натоварване заедно с хипервентилацията в белите дробове настъпва разширяване на капилярната мрежа. Белодробното кръвообращение се подобрява, увеличава се площта върху която се извършват процесите на дифузия. Вазодилатация настъпва и в работещата мускулатура, започват да функционират резервните капиляри с което се подобрява поглъщането на кислород от тъканите.

Усилването на дихателните функции се съпровожда с усилване на работата на сърдечния мускул. Броят на сърдечните съкращения се увеличава, а заедно с това се увеличава и систолният обем на сърцето. По този начин за единица време през белите дробове преминава по-голямо количество кръв и консумацията на кислород е по-висока.

Благоприятните взаимоотношения между функциите на дишането и кръвообращението са от решаващо значение за работоспособността на спортиста. Те намират израз в т.нар. кислороден пулс - количеството кислород, което се поема за времето на едно сърдечно съкращение. Кислородният пулс е в правопропорционална зависимост от ударния обем на сърцето и с физическата работоспособност.

Дишането подпомага дейността на кръвообращението. При дълбоко вдишване налягането в гръдната кухина силно намалява и с това облекчава венозния приток на кръвта към сърцето и кръвонапълването на предсърдията. В резултат се увеличава ударният обем на сърцето.

Дишане при динамична работа с цикличен характер и при статична работа

Дишането по време на физическа работа се влияе в значителна степен от структурата на движенията.

Цикличният вид работа с динамичен характер дава добри възможности на дихателните функции да се разгърнат до величини близки до максималните. При такъв вид работа има условия, макар и в определени граници, да се регулира дихателният ритъм, както и да се изгради определен стереотип на дишане. Известно предимство има когато фазите на вдишване и издишване не се редуват произволно, а са съобразени с характера на движенията. В тези случай обикновено се вдишва тогава, когато движенията на горните крайници и на трупа са такива, че дават възможност на гръдния кош да се разшири (например при плуване бруст - в момента когато ръцете завършват движението встрани). Установено е, че силата на мускулатурата на раменния пояс е по-голяма в момент на издишване. Затова при някои силови спортове решаващо за фазите на вдишване и издишване става именно това обстоятелство (например при гребане се вдишва в момента на изнасяне на греблата напред, а се издишва тогава, когато се създават по-добри условия за разширяване на гръдния кош - при загребването).

По време на статична работа дишането се различава значително от това при динамичната. Статичните натоварвания обикновено имат силов характер и по време на изпълнението им дишането не само че не се усилва, но дори се задържа. По тези причини работата се извършва почти изцяло в анаеробни условия. От физиологична гледна точка това не е изгодно за организма, характерът на работата обаче го налага - раменният пояс трябва да бъде фиксиран (например при стойка на ръце в спортната гимнастика, при задържане на щангата над главата, при вдигане на тежести и др.).

Задържането на дишането при статично-силовите упражнение се придружава от напъване. Изразява се в опит за издишване след дълбоко вдишване и при пълно затворена гласна цепка, чрез което се създават предпоставки за по-голяма стабилност на раменния пояс. Същевременно под негово влияние силно се увеличава интраплевралното налягане, което от своя страна предизвиква смущения в циркулацията на венозната кръв и затруднява притока на кръв към сърцето. 

Трайни (хронични) промени след системно трениране

В резултат на системно трениране настъпват съществени промени в дишането и дихателната система на спортиста, които го отличават от нетренирания и в състояние на покой. Измененията са както структурни (морфологични) така и функционални.

Морфологични промени в дихателния апарат

Изразяват се в адаптационни структурни изменения в гръдния кош и дихателните органи които осигуряват нови функционални възможности на организма. За да настъпят тези промени е необходим по-продължителен период на системна и активна тренировка. Именно постоянно повтарящите се временни изменения в дишането по време на физическо натоварване водят до трайни промени в дихателната система. А от това следва, че трайни приспособителни промени в дишането ще се наблюдават не у всеки спортист, а само у онези чиято спортна дисциплина изисква голямо активиране на дихателните функции. Това са преди всичко динамичните циклични видове спорт - гребане, плуване, бягане на средни и дълги разстояния, ски-бягания и други.

Настъпва увеличение на гръдния кош като изменението е по-силно изразено при мъжете. Според някои автори причина за тази полово обусловена разлика е преди всичко намаляването на подкожната тлъстина под влияние на тренировката. При мъжете това е по-силно изразено.

Промени настъпват също така и в белите дробове. Установено е че системната спортна тренировка води до увеличаване на броя на активните алвеоли. По този начин се увеличава както обемът на въздуха в белите дробове, така и повърхността върху която се извършва дифузията на газовете.

Наблюдават се промени и в качеството на дихателната мускулатура. Увеличава се преди всичко силата ѝ. В зависимости от спецификата на вида спорт се увеличава силата при вдишване или издишване. При плувците например, които по време на вдишване преодоляват налягането на водата върху гръдния кош, силата на мускулите извършващи вдишването се увеличава значително.

Функционални промени

Описаните изменения в структурата на дихателния апарат предизвикват и функционални изменения, които се проявяват както при физическо натоварване така и в покой. Така например при спортисти, практикуващи спортове, които активират значително дихателните функции, жизнената вместимост е по-висока от нормалната (над 6 l). Особено силно влияние върху нивото на виталния капацитет оказват спортове, като гребане и плуване, където той достига най-високите си стойности, а така също бокс, ски-бягане, атлетика и други.

Някои спортове като колоезденето, където статичното положение на раменния пояс и аеродинамичното положение на тялото (наведено напред) не благоприятстват развитието на жизнената вместимост. Това изисква в системата на общата физическа подготовка да се включват специални упражнение за подобряване на дихателните функции.

За разлика от временните, трайните промени на дихателната система се проявяват в различна степен при различните индивиди. Затова липсата на някои от описаните промени не означава че дихателната система на индивида не е добре приспособена да понася големи физически натоварвания.

Системните спортни занимания водят до изменение на честотата на дишането на спортиста в покой. Наблюдава се така наречената спортна брадипнея - намаляване на честотата на дишането. Ако в покой нетренираният прави 14-16 дишания в минута при тренирания те могат да спаднат под 10. Спортната брадипнея се дължи предимно на повишения тонус на парасимпатиковия дял на вегетативната нервна система в покой.

Възстановяване на дишането след физическо натоварване

Веднага след като завърши физическото натоварване настъпват промени в дишането - така наречените възстановителни реакции на дишането. Това са промените в отделните показатели на газовата обмяна, от момента на прекратяване на работата, до установяването им на ниво преди започване на работа, т.е. на изходно ниво. Промените се възстановяват хетерохронно (неедновременно) но ходът на възстановяване на всеки един от дихателните показатели има експоненциален характер. След приключване на натоварването, т.е. когато вече кислородната необходимост не надхвърля тази на покоя, консумацията на кислород остава за известно време все още над това ниво. Причините за тази свръхконсумация на кислород са многообразни:

Една, макар и малка част от общия обем на следработната кислородна свръхконсумация се използва за ресинтеза на разградения по време на работата креатинфосфат и за ресатурация на изчерпаните по същото време кислородни депа (миоглобиново и хемоглобиново). Тези процеси протичат в първата (бърза) фаза на възстановяване, което продължава до около третата минута след работата.

През следващата втора (бавна) фаза на възстановяване, продължаваща 20 и повече минути, повишената над нивото на покоя консумация на кислород се дължи основно на процеси характерни за следработния метаболизъм, целящи възстановяване на нарушената от натоварването хомеостаза.

• Изливането на стресови хормони (адреналин, норадреналин, допамин, кортизол), които могат да повишават концентрацията си 10-35 пъти над нормалното в зависимост от вида на натоварването, оказват мощен усилващ ефект върху обмяната и съответно на кислородната консумация.
• Усилените мускулни съкращения са свързани с промени в йонните концентрации на калия, натрия и калция в мускулните клетки. Връщането им към нивото на покой изисква усилена синтеза на АТФ и респективно усилена консумация на кислород.
• Повишената телесна температура е обичаен признак на повишената обмяна на веществата и също е свързана с увеличена консумация на кислород. 

Скоростта на възстановяване на кислородната консумация зависи от интензивността и продължителността на извършената работа, т.е. от степента на разстройство на хомеостазата, която тя е предизвикала. При високо тренираните спортисти това разстройство е значително по-малко в сравнение с нетренираните.

Характеризирайки възстановяването на дишането след физическо натоварване, като постепенно стихващ и достигащ изходното си ниво процес, трябва да имаме предвид че не рядко може да наблюдаваме и повторно повишаване на дихателните функции (по-често през втората фаза). Такива колебания са характерни за всички възстановителни процеси и са израз на взаимодействието на многото фактори и механизми, участващи в регулацията на възстановителните реакции.