На грани возможного: Наука выживания

Ключ к этому компромиссу – в том, насколько быстро вырабатывается энергия (в виде аденозинтрифосфата), необходимая для сокращения мышц. Аденозинтрифосфат (АТФ) – это очень специфическая молекула. Это универсальный источник энергии, биохимическое топливо, которое питает клетки всех живых организмов, от бактерий до растений и животных. АТФ состоит из аденозина и трех остатков фосфорной кислоты (фосфатных групп). Остаток фосфорной кислоты – это самая важная часть молекулы, поскольку фосфатные группы присоединяются с помощью высокоэнергетических химических связей. При отщеплении фосфатной группы высвобождается содержащаяся в связях энергия, которая идет затем на сокращение мышц. Однако КПД сокращения невысок, поэтому в работе задействуется примерно половина накопленной в АТФ энергии. Остальная выделяется в виде тепла – вот почему от бега нам становится так жарко.

Несмотря на повышенную потребность в АТФ, в мышцах ее очень мало – хватит всего на одну-две секунды интенсивной нагрузки. Поэтому запасы АТФ необходимо постоянно пополнять, присоединяя фосфатную группу к молекуле аденозиндифосфата (АДФ), образующейся при отщеплении одной фосфатной группы. Непосредственным источником высокоэнергетического фосфата для восстановления АТФ служит креатинфосфат, присутствующий в мышцах в относительном избытке. Креатинфосфат также является высокоэнергетическим соединением, однако, в отличие от АТФ, не может напрямую использоваться для сокращения мышц. Вместо этого он отдает высокоэнергетический фосфат в АДФ, образуя АТФ. Креатинфосфата в мышцах хватает на шесть-восемь секунд полной нагрузки – спринтерский рывок на 50 м или теннисную подачу, пушечным ударом посылающую мяч через весь корт на скорости более 200 км/ч, но и эти запасы тут же истощаются.

Когда заканчивается креатинфосфат, запасы АТФ пополняются за счет метаболизма (расщепления) углеводов или жиров. В мышцах содержится ограниченный запас углеводов в форме гликогена (животного крахмала), составляющего обычно 1–2 % мышечной массы. Его хватает примерно на час нагрузки, после чего глюкозу и жир приходится извлекать из «кладовых» печени и жировых тканей. Для расщепления жира требуется кислород, а углеводы расщепляются либо кислородным путем (аэробным), либо бескислородным (анаэробным). При аэробном метаболизме, ввиду повышенной потребности в кислороде, энергия вырабатывается медленнее, чем при анаэробном. Это значит, что жиры в качестве непосредственного источника энергии уступают гликогену или глюкозе. Кроме того, жирам для расщепления требуется больше кислорода. Таким образом, для быстрого бега лучшим топливом являются углеводы.

Анаэробное расщепление гликогена и глюкозы выступает источником срочного пополнения запасов АТФ при интенсивной нагрузке и поэтому играет большую роль в таких видах спорта, как футбол, для которого характерны короткие рывки, истощающие запасы АТФ. Однако анаэробный метаболизм не может продолжаться бесконечно, поскольку в результате образуется молочная кислота, замедляющая работу мышц и вызывающая усталость. Процесс этот, кроме того, вызывает боль и приводит к «работе на разрыв аорты», о которой так часто говорят тренеры. В данном случае «на разрыв аорты» значит на пределе своих анаэробных возможностей. После окончания нагрузки молочная кислота должна выводиться из организма, и на это тоже требуется кислород. Британский физиолог Арчибальд Хилл назвал это дополнительное количество кислорода «кислородной задолженностью». Именно из-за нее после жаркого матча в сквош мы еще долго не можем отдышаться, даже перестав прыгать с ракеткой. Чем интенсивнее тренировка, тем больше образуется молочной кислоты и тем больше времени требуется на восстановление. То есть анаэробная нагрузка хоть и позволяет выиграть время, но ненадолго и дорогой ценой.

Несмотря на то что при анаэробном метаболизме энергия высвобождается быстро, АТФ образуется сравнительно немного – всего две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. Аэробный метаболизм в этом отношении гораздо эффективнее, поскольку производит на целых 34 молекулы АТФ больше. Любая нагрузка, длящаяся дольше двух-трех минут, происходит за счет увеличивающегося аэробного метаболизма. В беге на 1000 м (2,5 мин.) аэробный метаболизм обеспечивает примерно половину энергии, в четырехминутном забеге на милю – 65 % энергии, а в марафоне – почти всю энергию. Поскольку для аэробного метаболизма требуется кислород, скорость производства АТФ ограничена скоростью поставки кислорода к тканям. Что, в свою очередь, зависит от возможностей сердца и легких.

Потребность в кислороде