Естественнонаучные основы физической культуры

Естественнонаучные основы физического воспитания — это комплекс медико-биологических наук. Достижения медико-биологических наук (анатомии, физиологии, биологии, биохимии, гигиены и др.) лежат в ос­нове организации и проведения занятий по физическому воспитанию, на них же должны основываться и самостоятельные занятия.

При изучении органов и функциональных систем человека необходи­мо придерживаться принципа целостности и единства организма с внеш­ней природной и социальной средой. Все органы человеческого организма тесно связаны между собой, находятся в постоянном взаимодействии и являются сложной единой саморегулирующейся и саморазвивающейся системой. Деятельность организма как единого целого включает взаимо­действие психики человека, его двигательных и вегетативных функций с различными условиями окружающей среды.

Внешние природные и социальные условия существования, с которы­ми человеческий организм находится в постоянном взаимодействии, мо­гут оказывать на него как положительные, так и вредные воздействия. Отличительной особенностью человека является возможность сознатель­но и активно изменять как внешние природные, так и социально-бытовые условия для укрепления здоровья, повышения умственной и физической работоспособности и продления жизни.

Единство организма человека с внешней средой проявляется, прежде всего, в непрерывно протекающих сложных процессах обмена веществ.

Обмен веществ,или метаболизм, - это совокупность всех химиче­ских изменений и всех видов превращений веществ и энергии, обеспечи­вающих развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов, их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних усло­вий. Основу обмена веществ составляют процессы катаболизма и анабо­лизма.

Катаболизм(от греч. Ьа1аЬо1е — сбрасывание, разрушение) - совокуп­ность протекающих в живом организме ферментативных реакций расще­пления сложных органических веществ, включая пищевые. В процессе катаболизма, который называют также диссимиляцией, происходит осво­бождение энергии, заключенной в химических связях крупных органиче­ских молекул, и запасание ее в форме богатых энергией связей АТФ. К катаболическим процессам относятся клеточное дыхание, гликолиз, бро­жение. Основные конечные продукты катаболизма - вода, углекислый газ, аммиак, мочевина, молочная кислота, которые выводятся из организма через кожу, легкие и почки.

Анаболизм(от греч. апаЬо1е — подъем) - совокупность химических процессов в живом организме, направленных на образование и обновле­ние структурных частей клеток и тканей. Процессы анаболизма, которые

называют также ассимиляцией,составляют противоположную катабо­лизму сторону обмена веществ и заключаются в синтезе сложных молекул из более простых с использованием энергии, высвободившейся в первой фазе метаболизма.

Посредником между организмом и внешней средой является кровь, которая принимает продукты распада, несет к тканям вещества, необхо­димые для осуществления процессов ассимиляции. Процессы ассимиля­ции и диссимиляции тесно связаны между собой и составляют сущность жизни. Однако между ними далеко не всегда наблюдается равновесие. Так, во время роста организма преобладают процессы ассимиляции; при голодании, тяжелых заболеваниях, интенсивном физическом и умствен­ном труде процессы диссимиляции могут быть значительно выше процес­сов ассимиляции. При правильном соотношении процессов ассимиляции и диссимиляции в организме взрослого человека наблюдается относи­тельное равновесие в обмене веществ, что выражается в постоянстве веса. Снижение веса свидетельствует о недостатке веществ в организме и, на­оборот, прибавка в весе говорит о преобладании процессов синтеза над процессами распада.

В процессе обмена веществ различают три этапа:

1-й этап - поступление в организм питательных веществ и кислорода;

2-й этап - усвоение питательных веществ и кислорода тканями и протекание окислительных биохимических реакций с поглощением и ос­вобождением энергии;

3-й этап - выведение из тканей и организма продуктов распада.

Кислород поступает в ткани посредством дыхательной и сердечно­сосудистой систем, а питательные вещества - углеводы, жиры, белки, ми­неральные соли, микроэлементы, витамины и вода - поступают в орга­низм с пищей.

Обмен белков в организме.Белки - сложные органические соедине­ния. В организме они синтезируются из аминокислот. Аминокислоты ха­рактеризуются наличием в них аминогруппы (ЫН2). В состав белковых молекул входят также углерод и некоторые другие вещества. Функции белков в организме многочисленны: раздражимость и сократимость мышц, пищеварительные процессы и др. Белки поступают в организм с пищевыми продуктами. Разные продукты содержат соответствующее ко­личество белков. Для образования белков нужны определенные амино­кислоты. Некоторые из них организм может синтезировать сам, но 10 аминокислот он образовывать не в состоянии, поэтому они называются незаменимыми. В белках животного происхождения, поступающих в со­ставе пищи, содержатся все необходимые организму аминокислоты. Их называют полноценными. Белки растительного происхождения - непол­ноценные, т.к. не содержат всех аминокислот, необходимых для синтеза белков. В организме человека белки в запас не откладываются. При избы­точном поступлении аминокислот после отщепления от них аминогрупп образуются углеводы и жиры. Потребность взрослого человека в белках в среднем составляет 100 г в сутки, причем, соотношение животных и рас-

тигельных белков в среднем должно составлять 55:45. При больших фи­зических нагрузках, а также при высокой температуре окружающей среды потребности организма в белках возрастают до 120-170 г. Конечными продуктами расщепления белков являются аммиак, мочевая кислота, мо­чевина, которые удаляются из организма главным образом через почки.

Обмен углеводов в организме.Углеводы состоят из трех химиче­ских элементов: углерода, водорода и кислорода. В обычных условиях человек в сутки потребляет 400-800 г углеводов. При переваривании пи­щи углеводы превращаются в глюкозу, которая затем всасывается кровью и разносится по всему телу. Однако благодаря взаимодействию гормонов инсулина и адреналина концентрация глюкозы в крови удерживается на относительно постоянном уровне. Из глюкозы при содействии инсулина образуется гликоген, который откладывается в мышцах и печени.

Функции углеводов в организме многообразны, но основная их роль -источник энергии. При физической работе именно гликоген расщепляется первым. Запасы гликогена в организме относительно невелики. Посту­пающий с пищей избыток углеводов служит организму материалом для синтеза белков. Повысить же запасы гликогена можно, систематически занимаясь аэробными упражнениями. Конечные продукты расщепления углеводов - вода и углекислый газ - удаляются из организма с выдыхае­мым воздухом, с потом и мочой.

Обмен липидов в организме.Липиды — это большие группы жиров и жироподобных веществ различного химического строения. Они не рас­творяются в воде. Количество липидов в организме в норме составляет 10-20 % от массы тела, при нарушении обмена веществ - до 50 % .

В организме человека жиры играют важную роль. Они являются бога­тейшим источником энергии, предохраняют организм от температурных и механических воздействий и т.д. Нарушение функций промежуточного мозга, гипофиза, щитовидной, поджелудочной и половых желез сопрово­ждается

либо ожирением, либо истощением организма. При нормальном их функционировании организм накапливает жир при избыточном питании. Для того чтобы «сжечь» 1 кг жира, человеку со средней массой тела необ­ходимо, к примеру, пробежать в среднем темпе около 13 км.

Минеральные соли, микроэлементы и водаподдерживают необхо­димое осмотическое давление в клетках и биологических жидкостях и наряду с белками, жирами и углеводами обеспечивают постоянство внут­ренней среды организма.

Витамины- специфические органические соединения, обладающие большой биологической активностью. Они оказывают значительное воз­действие на обмен веществ в организме, повышая его активность. Вита­мины обеспечивают высокую работоспособность организма и повышают его сопротивляемость к различным заболеваниям. Некоторые витамины синтезируются организмом, большинство же из них человек получает с пищей. Активные занятия физическими упражнениями повышают по-

требность организма в витаминах. Процессы распада и синтеза осуществ­ляются путем пос­ледовательных химических реакций с участием соответствующих ферментов. С рождением человека для него характерен генетически обу­словленный обмен веществ. В процессе жизни обмен веществ регулирует­ся гормонально, координирует же эту деятельность центральная нервная система.

Питание.Говоря о питании, рассматривают, как правило, его хими­ческий состав и количество заключенной в нем энергии. Энергетическая ценность пищи выражается в килокалориях (ккал). Этой же единицей обо­значаются и энерготраты организма человека.

Калорийность- это энергетическая ценность пищевых продуктов; каждый грамм белка и каждый грамм углеводов при сгорании в организме (окислении) образуют тепло, равное 4,1 ккал, а грамм жира - 9,3 ккал.

Энерготраты человека делят на две группы: нерегулируемые и регули­руемые. К нерегулируемым энерготратам относят расход энергии на основной обмен и на процессы пищеварения.

Основной обмен- количество энергии, необходимое для поддержа­ния жизненно важных функций организма при полном мышечном покое, через 12-16 часов после приема пищи и при температуре 18-20 градусов. Даже в условиях полного покоя организм постоянно расходует энергию на поддержание работы сердца, органов дыхания и др. Принято считать, что при обычных условиях у человека среднего возраста и средней массы тела энергия основного обмена составляет 1 ккал в час на 1 кг массы тела.

Регулируемые энерготраты - это расход энергии при различных ви­дах деятельности. Они особенно велики при длительном сокращении больших групп мышц. В некоторых видах спорта высококвалифициро­ванные спортсмены способны тратить энергии больше, чем может усво­ить их организм, что стало объективной причиной уменьшения трениро­вочных нагрузок.

В процессе систематических занятий физическими упражнениями в организме человека происходят изменения (морфологические, физиоло­гические, биохимические, функциональные). При правильном и рацио­нальном сочетании работы и отдыха функциональное состояние организ­ма совершенствуется, что способствует повышению работоспособности.

Ограничение двигательной активности современного человека созда­ет особые условия его жизнедеятельности, которые обозначают термином «гипокинезия» (недостаток движений). В ряде случаев это состояние при­водит к гиподинамии.

Гиподинамия(греч. Ьуро - понижение; ётапш - сила) - совокупность отрицательных морфофункциональных изменений в организме вследст­вие длительной гипокинезии. Это атрофические изменения в мышцах, общая физическая детренированность, детренированность сердечно­сосудистой системы, понижение ортостатической устойчивости, измене-.ние водно-солевого баланса, системы крови, деминерализация костей и т.д. В конечном счете,

снижается функциональная активность органов и систем, нарушается деятельность регуляторных механизмов, обеспечивающих их взаимо­связь, ухудшается устойчивость к различным неблагоприятным факторам; уменьшается интенсивность и объем афферентной информации, связан­ной с мышечными сокращениями, нарушается координация движений, снижается тонус мышц (тургор), падает выносливость и силовые показа­тели.

Наиболее устойчивы к развитию гиподинамических признаков мыш­цы антигравитационного характера (шеи, спины). Мышцы живота атро­фируются сравнительно быстро, что неблагоприятно сказывается на функции органов кровообращения, дыхания, пищеварения.

В условиях гиподинамии снижается сила сердечных сокращений в связи с уменьшением венозного возврата в предсердия, сокращаются ми­нутный объем, масса сердца и его энергетический потенциал, ослабляется сердечная мышца, снижается количество циркулирующей крови в связи с застаиванием ее в депо и капиллярах. Тонус артериальных и венозных сосудов ослабляется, падает кровяное давление, ухудшаются снабжение тканей кислородом (гипоксия) и интенсивность обменных процессов (на-рушения\в балансе белков, жиров, углеводов, воды и солей).

Уменьшается жизненная емкость легких и легочная вентиляция, ин­тенсивность газообмена. Все это связано с ослаблением взаимосвязи дви­гательных и вегетативных функций, неадекватностью нервно-мышечных напряжений. Таким образом, при гиподинамии в организме создается си­туация, чреватая "аварийными" последствиями для его жизнедеятельно­сти. Если добавить, что отсутствие необходимых систематических заня­тий физическими упражнениями связано с негативными изменениями в деятельности высших отделов головного мозга, его подкорковых структу­рах и образованиях, то становится понятно, почему снижаются общие защитные силы организма и возникает повышенная утомляемость, нару­шается сон, снижается способность поддерживать высокую умственную или физическую работоспособность.

В различных двигательных действиях находят свое выражение от­дельные качественные характеристики двигательных возможностей чело­века. Их называют двигательными, или физическими качествами.Вы­деляют следующие основные качества: силу, быстроту, выносливость, гибкость и ловкость. В труде, быту, спорте они проявляются не изолиро­ванно, а в органических связях между собой. В то же время в каждом дви­гательном действии или в виде мышечной деятельности одно или не­сколько качеств проявляются в наибольшей степени (например, в упраж­нениях с отягощениями - это сила; а в ряде таких продолжительных уп­ражнений аэробного характера, как езда на велосипеде, бег, плавание и др. - выносливость).

В процессе проявления двигательных качеств отдельные органы и функциональные системы организма задействованы в наибольшей степе­ни. Их функциональное состояние определяет степень развития того или иного качества. Под влиянием физических упражнений происходит при-

способление (адаптация) кмышечной деятельности, что выражается в функцио- нальной перестройке многих систем организма. Более значи­тельно адаптируются те системы организма, которые были задействованы в конкретной мышечной деятельности в большей степени. Так, работа на выносливость развивает в основном органы кровообращения и дыхания; упражнения силового характера приводят к изменению химического со­става и утолщению мышечных волокон. Рассмотрим более подробно фи­зические качества человека.

Сила- это способность человека преодолевать внешнее сопротивле­ние или противодействовать ему за счет мышечных усилий. Сила каждой мышцы зависит от характера нервных импульсов, которые обеспечивают ее сокращение, и от количества находящегося в мышцах сократительного белка. Повышение частоты нервных импульсов, посылаемых к мышце, а также синтез сократительного белка - пути усиления мышцы. Большое значение для силовой выносливости (способности человека выполнять работу силового характера длительное время) имеет трофическое влияние на мышцы вегетативной нервной системы.

Физиологической основой развития силы являются:

• участие в мышечном сокращении максимально большего числа дви­
гательных единиц;

• утолщение мышечных волокон, совершенствование их структуры и
биохимических процессов;

• расслабление мышц-антагонистов и предварительное растяжение
мышц-синергистов;

• увеличение согласованности в деятельности мышц-синергистов.

Быстрота~ это способность человека выполнять двигательное дейст­вие или осуществлять заданную работу за минимальный промежуток вре­мени. В основе этого качества лежит особая координация процессов в нервно-мышечной системе, обеспечивающая быстрое нарастание процес­сов возбуждения в нервных центрах и мобилизацию в минимальные от­резки времени функций мышечного сокращения. Быстрота также зависит от точной коор-динации движений, обеспечивающей сокращение только необходимых групп мышц и быстрое их расслабление, а также оптималь­ную сменность двигательных единиц в каждой из работающих мышц.

Различают элементарные и комплексные формы проявления быстроты.

К элементарным формам относят латентное (скрытое) время двига­тельной реакции (период времени между действием раздражителя и нача­лом движения), время одиночного движения и темп движения. Ком­плексные формы быстроты проявляются в виде плавания, бега и др. на спринтерских дистанциях, бросков и др. в борьбе, нанесения ударов в боксе и т.д.

Физиологическими основами развития быстроты являются:

• увеличение скорости протекания возбуждения в нервных центрах;

• повышение скорости расслабления мышц;

• синхронизация возбуждения мышечных единиц и их отдельных во­
локон;

• увеличение лабильности соответствующих двигательных единиц и
скорости распространения возбуждения по нервным и мышечным волок­
нам;

• повышение скорости укорочения мышечных волокон.

При выполнении физических упражнений быстрота и сила проявля­ются взаимосвязанно (скоростно-силовые способности человека).

Выносливость- это способность организма выполнять работу задан­ной мощности в течение длительного времени. При выполнении упраж­нений циклического характера выносливость неразрывно связана с функ­цией дыхания (прежде всего тканевого), кровообращения (обеспечиваю­щего доставку кислорода и питательных веществ к тканям и удаление продуктов распада), выделения и терморегуляции. Различают несколько видов выносливости: общую и специальную, силовую и скоростную.

Общая выносливость- это способность организма противостоять утомлению при выполнении различной по характеру мышечной деятель­ности умеренной или большой мощности.

Специальная выносливость- это способность длительное время со­вершать работу заданной мощности в определенном виде физических уп­ражнений. Развитие выносливости этого вида обеспечивается специфиче­скими изменениями в организме при длительном выполнении специаль­ных физических упражнений.

Физиологическими основами повышения выносливости являются:

• степень развития органов дыхания и кровообращения (скорость
диффузии О2 и СО2 через альвеолярную мембрану, минутный объем ды­
хания, величина систолического и минутного объемов крови);

• кислородная емкость крови;

• запасы энергетических веществ в организме и возможность их ис­
пользования;

• мощность аэробных и анаэробных процессов;

• емкость буферных систем и объем щелочных резервов крови;

• координация двигательных и вегетативных функций;

• скорость включения нервно-гуморальных механизмов регуляции го-
меостаза;

• особенности терморегуляции.

Ловкость (координационные способности)— способность человека выполнять сложные по координации движения при изменении динамики их выполнения и в изменяющихся окружающих условиях. Ловкость зави­сит в основном от комплексного развития силы, быстроты и выносливо­сти. Постоянно изменяющаяся обстановка в некоторых видах деятельно­сти предъявляет высокие требования к скорости обработки информации в центральной нервной системе, которая поступает от сенсорных систем, и к скорости программирования ответных движений. В результате трени­ровки по развитию ловкости увеличивается подвижность нервных про­цессов и обеспечивается более быстрое включение различных мышц в работу и быстрые переходы от сокращения к расслаблению.

Физиологической основой ловкости являются координационные ус­ловно-рефлекторные механизмы, сформированные в условиях постоян­ных коррекций в связи с влиянием условий выполнения тех или иных уп­ражнений. Это качество расстраивается в связи с утомлением, и поэтому его сохранение требует развития выносливости.

Гибкость- способность выполнять движения с большой амплитудой. Гибкость зависит от следующих факторов:

• анатомических особенностей суставов;

• эластичности связочного аппарата, мышечных сухожилий и мышц;

• способности сочетать расслабление и сокращение (напряжение)
мышц-антагонистов в суставах.

Таким образом, развитие гибкости связано с повышением эластично­сти мышц, мышечных суставов и связок, с совершенствованием коорди­нации работы мышц-антагонистов и, при многолетних занятиях, с изме­нением формы сочленяющихся костных поверхностей.

В процессе систематических занятий физическими упражнениями разви­ваются все двигательные качества. В процессе совершенствования одного из качеств в какой-то мере совершенствуются и другие, т.к. физическим качест­вам присуща общность некоторых механизмов их развития. Это явление но­сит название положительного переноса двигательных качеств. В начале регу­лярных тренировочных занятий оно проявляется в наибольшей степени. Наи­более благоприятное влияние на все двигательные качества оказывают физи­ческие упражнения на выносливость, в связи с чем она рассматривается как основа для развития всех других качеств.

Двигательные качества при прекращении систематических занятий перестают развиваться, затем уровень развития силы, скорости, выносли­вости снижается до исходного. Раньше других качеств утрачивается бы­строта, затем - сила, и еще позже - выносливость.