На грани возможного: Наука выживания

В покое взрослый человек потребляет около трети литра кислорода в минуту. При интенсивной нагрузке потребность в кислороде возрастает более чем в 10 раз у неспортивных людей и до 20 раз у спортсменов. Это значит, что должна сильно возрасти скорость, с которой кислород поглощается легкими и поставляется сердцем и кровеносной системой к тканям. Как ни удивительно, фактором, ограничивающим потребление кислорода мышцами, служит не объем легких и не способность мышц извлекать кислород из крови, а скорость, с которой сердце перекачивает кровь.

Нормальный систолический объем крови составляет 5,5 л в минуту, то есть за минуту через сердце перекачивается почти вся имеющаяся в организме кровь (5 л). При интенсивной нагрузке минутный объем может возрастать в 5 раз у обычного человека, а у тренированного спортсмена мирового класса еще больше – у них максимальный систолический объем составляет 35–40 л в минуту. В результате возрастает не только приток крови к скелетным мышцам (которые двигают конечностями), но и извлечение кислорода из воздуха. Поскольку кровь быстрее проходит через легкие, за минуту она забирает больше кислорода.

Как сердце регулирует систолический объем в соответствии с потребностями работающих мышц? Один способ – увеличить частоту сердцебиения. Это достигается за счет выброса в кровь адреналина. Другой способ – увеличить объем крови, перекачиваемой сердцем. К этому тоже приводит выброс адреналина и еще один механизм, названный эффектом Франка – Старлинга в честь открывших его физиологов Отто Франка и Эрнеста Генри Старлинга. Их исследования показали, что, растягиваясь от притока венозной крови, сердечная мышца сокращается сильнее, увеличивая объем крови, выбрасываемой при каждом ударе. Когда сердечный ритм повышается, кровь циркулирует быстрее, поэтому левый желудочек заполняется венозной кровью скорее и плотнее, тем самым увеличивая силу сердечных сокращений. Однако объем крови, перекачиваемой с каждым ударом, не может увеличиваться бесконечно – он достигает предела, когда нагрузка составляет примерно треть от пиковой. Дальнейшее увеличение минутного объема кровообращения происходит исключительно за счет ускорения сердечного ритма.

В замкнутых системах, таких как кровеносная, увеличение насосной силы сердца приведет к увеличения давления, если одновременно не снизится сопротивление кровотоку. Так, например, закачивание воздуха в пустую велосипедную камеру повышает давление, если камера целая, но если она дырявая, то качать бесполезно. При нагрузке кровяное давление не повышается, поскольку значительно падает сопротивление благодаря массированному оттоку крови к мышцам. У покоящейся мышцы капилляры в основном сжаты. Под нагрузкой эти дремлющие капилляры расширяются для более интенсивного снабжения кровью и, соответственно, кислородом. Объем извлекаемого из крови кислорода также возрастает: в покое мышцы потребляют лишь около 25 % поставляемого кровью O2, но при сильной нагрузке эта доля увеличивается до 85 %.

Однако увеличения минутного объема может оказаться недостаточно для того, чтобы питать кислородом интенсивно работающую мышцу, поэтому при самых серьезных нагрузках кровь к мышцам перенаправляется от мало задействованных в данный момент органов. Почки, например, могут получать в таком случае менее четверти обычного объема крови. Приток крови к коже, наоборот, не уменьшается или даже возрастает, чтобы сбрасывать тепло, вырабатываемое мышцами. Больше крови требует и сердечная мышца – это знают по себе страдающие коронарной недостаточностью. Физическая нагрузка вызывает у них боль в груди, поскольку поврежденные коронарные артерии не могут обеспечить возросшие потребности сердечной мышцы. Неизменным остается только кровоснабжение головного мозга.

Общеизвестно, что при беге мы дышим глубже и чаще, и чем интенсивнее нагрузка, тем чаще дыхание. Резкая смена дыхания происходит в течение нескольких секунд после начала нагрузки, еще до того, как мышцам понадобится дополнительный кислород. Организм будто предугадывает скорый рост потребления и готовится заранее. Если нагрузка продолжается, дыхание учащается еще больше. Физиологи до сих пор выясняют, за счет чего происходит смена дыхательного ритма. Однако достоверно известно, что дыхание в число ограничивающих нагрузку факторов не входит. Человеку не может «не хватить дыхания». Наоборот, многие дышат даже слишком часто. Выглядит это так, будто человек судорожно хватает воздух, но проблема не в том, что легким не хватает кислорода, а в том, что сердце не успевает оттранспортировать его к тканям. Только на больших высотах дыхание может как-то влиять на объем нагрузки.