Dabā pastāv enerģijas nezūdamības likums. Enerģija tikai pārveidojas, tā nerodas no nekā un arī nepazūd kaut kur. Muskulis būtībā ir motors. Lai tas strādātu, tam ir nepieciešama enerģija. Ķīmija māca, ka, ja kāda viela sabrūk, sadalās mazākās molekulās, tad enerģija atbrīvojas. Turpretī sintezējot lielākas molekulas no mazākām, bez izejmateriāliem, tas ir, bez mazajām molekulām, ir nepieciešama arī enerģija.
Muskuļu “degviela” – kas nodrošina kustību?
Tāpat kā katra automašīna spēj savu motoru darbināt tikai ar viena veida degvielu, cilvēka muskuļi spēj kontrahēties tikai tad, ja to šķiedrās esošā ķīmiskā viela – adenozīntrifosfāts (ATF) sadalās. ATF ir lielmolekulāra olbaltumviela, kuras sastāvā ietilpst adenozīns ar tam piesaistītām trīs fosforskābes molekulām. Ķīmiskas reakcijas rezultātā no ATF atšķeļas viena fosforskābes molekula un ATF pārvēršas par adenozīndifosforskābi (ADF – adenozīns ar 2 fosforskābes molekulām). Pēc ķīmiķu klasifikācijas šāda reakcija pieskaitāma pie endotermiskām reakcijām, jo tās rezultātā atbrīvojas enerģija, kuru var izmantot muskulis.
Kā organisms nodrošina nepārtrauktu enerģijas plūsmu?
Diemžēl ATF muskuļu šķiedrās ir ļoti maz. Tā kā arī citur cilvēka organismā ATF rezerves neeksistē, ar tā krājumiem muskuļi spēj izdarīt tikai pirmās kontrakcijas darba sākumā. Tomēr daba ir parūpējusies par to, lai cilvēks varētu veikt dažādus ilgstošus darbus, arī sportot. To ļauj tas apstāklis, ka ķīmiskā reakcija var noritēt arī pretējā virzienā – no ADF un fosforskābes var tikt atkal sintezēts ATF. Tā kā tas rodas atpakaļ no savām iepriekšējām sastāvdaļām, tad to sauc par ATF resintēzi. Tikai šī reakcija ir eksotermiska un tai ir nepieciešama papildus enerģija. Šo enerģiju ATF atjaunošanai muskuļi iegūst no citām ķīmiskām reakcijām, sabrūkot citām ķīmiskām vielām. Īsāk sakot – muskuļi savam darbam var izmantot ķīmisko enerģiju, kuru rada trīs dažādas ķīmiskās reakcijas, kaut gan būtībā tās tikai atjauno ATF.
Pirmā ķīmiskā reakcija – kreatīnfosfokināzes reakcija
Pašos muskuļos nelielā daudzumā (ap 0,5% no muskuļa masas) atrodas vēl cita fosforskābi saturoša olbaltumviela – kreatīnfosforskābe (KrF), tātad radniecīga ATF un tādēļ tā ļoti ātrā tempā it kā savu fosforskābi atdod ADF molekulai. Katrā sekundē tiek atjaunots maksimāli iespējamais ATF molekulu skaits. Runājot sportistu valodā, ar KrF var darīt visintensīvākos darbus, piemēram, skriet maksimālā tempā, celt svaru stieni u.c. Tomēr šādas intensitātes darbu muskuļi bez atpūtas var veikt tikai ļoti īsu brīdi. Sportistam, strādājot ar savu maksimālo intensitāti, KrF pietiek tikai 3 – 7 sekundēm jeb nepilnu 100 m distances veikšanai vieglatlētikas sacensībās.
Otrā ķīmiskā reakcija – glikolīze
Otra ķīmiskā reakcija, kura arī ļauj sportistam strādāt samērā intensīvi, ir glikolīze. Tā ir glikozes šķelšana līdz pienskābei. Glikoze ir vismazākā ogļhidrātu (cukuru) molekula. Puse no šīs molekulas ir pienskābe. Tātad, sarežģītā ķīmiskā procesā, vienai glikozes molekulai it kā pārlūztot uz pusēm, rodas divas pienskābes molekulas. Atbrīvotā enerģija katrā sekundē neatjauno tik daudz ATF molekulu kā KrF šķelšana, tāpēc ar tās palīdzību veicamā darba maksimālā jauda ir jau nedaudz mazāka. Piemēram, skrējiena ātrums 400 m distancē jau atpaliek no tempa 100 m distancē. Toties darbu var turpināt ilgāk (45 – 90 sekundes). Šo laiku neierobežo glikozes daudzums (trūkums), bet gan radusies pienskābe. Organisma iekšējā vide – asinis, limfa, šķidrums ap šūnām un pati šūnu plazma ir sārmaina. Glikolīzes rezultātā rodas skābe. Lai no tās atbrīvotos, strauji paātrinās sirdsdarbība, paaugstinās arteriālais asinsspiediens, elpošanai padziļinoties un paātrinoties, strauji pieaug plaušu ventilācija. Rodas akūts nogurums un šī reakcija pārtraucas.
Trešā ķīmiskā reakcija – oksidatīvā fosforilēšanās
Oksidācija nodrošina gan ilgstošu muskuļu darbu, gan arī ir visu citu cilvēka organisma dzīvības procesu pamatā. Oksidēties jeb sadegt var dažādas ķīmiskas vielas. Cilvēka organismā visvieglāk oksidējas (sadeg) ogļhidrāti, konkrēti – glikoze. Bez enerģijas kā reakcijas gala produkti rodas ogļskābā gāze un ūdens. No pirmās organisms atbrīvojas caur plaušām, bet ūdens tiek izmantots organisma vajadzībām.
Oksidācijas procesi norit bez pārtraukuma visu cilvēka dzīves laiku, tiem izbeidzoties, iestājas nāve. Taču šo procesu intensitāte var ļoti lielā mērā atšķirties pēc tā, cik daudz enerģijas konkrētajā brīdī nepieciešams. Diemžēl arī izmantojot oksidācijas procesus maksimāli, saražotās enerģijas daudzums vienā sekundē krietni atpaliek no tā, ko dod pirmā un otrā reakcija katra atsevišķi.
Aerobā un anaerobā slodze sportā
Sportā oksidācijas reakcijas izmanto gargabalnieki – skrējēji, slēpotāji, riteņbraucēji u.c. Tā kā skābekli oksidācijai iegūst no gaisa, šo reakciju sauc par aerobu (aeros = gaiss), bet ar šo reakciju veicamo darbu – par aerobu slodzi. Labi trenētam gargabalniekam ir augstas aerobās spējas. Pretstatā tam, pirmās divas reakcijas, kas notiek bez skābekļa līdzdalības, apzīmē kā anaerobas (a – latīņu valodā nozīmē negācija, bet burts n ir iesprausts vārdā labskanības dēļ).
Anaerobās reakcijas enerģiju aizdod. Darba intensitātei krītoties vai pēc darba beigām, ar oksidācijā ražotās enerģijas palīdzību tiek likvidētas organismā tās pārmaiņas, kas radās anaerobā darba laikā. Ir jāatjauno KrF, jāatbrīvojas no pienskābes. Tāpēc sportā saka, ka intensīvais darbs ir veikts uz skābekļa parāda rēķina, un tam ir divas daļas jeb frakcijas – laktātā, kas rodas ražojot pienskābi (jeb laktātu) un alaktātā – bez pienskābes, tātad uz KrF rēķina.
Īslaicīgu ļoti intensīvu slodzi nodrošina anaerobas reakcijas, bet ilgstošu darbu cilvēks veic aerobā enerģijas ieguves režīmā. Priekšstatu par to var paplašināt 1. un 2. attēls. 1. attēlā shematiski attēloti kāda Kanādas profesionālā hokeja kluba spēlētāju pārbaudes rezultāti. Hokejisti veica trīs slodzes uz veloergometra. Pirmās slodzes ilgums bija 10 s, otrās – 30 s, bet trešās – 120 s. Uzdevums – katrā no dotajiem laikiem izdarīt maksimāli iespējamo pedāļu apgriezienu skaitu. Viss aplis attēlo darbam nepieciešamo enerģijas daudzumu, bet atsevišķo segmentu laukumi – trīs ķīmisko reakciju īpatsvaru. Kā redzams, pirmajā gadījumā dominē anaerobā alaktacīdā reakcija, otrā vienlīdz nozīmīgas ir abas anaerobās reakcijas, bet trešajā galvenā ir anaerobā laktacīdā enerģija.
1. attēls. Triju ķīmisko reakciju īpatsvars enerģijas nodrošināšanai iespējami intensīvās dažāda ilguma slodzēs: a – kreatīnfosfāta sadalīšanās procesā atbrīvotā enerģija; b – glikolīzes procesos radītā enerģija; c – oksidācijas procesos atbrīvotā enerģija.
Abas anaerobās reakcijas ir visai atšķirīgas. Ja enerģija tiek iegūta glikolīzes ceļā, tad reakcijas rezultātā veidojas pienskābe, tādēļ runā par anaerobu laktacīdu darbu un par organisma anaerobajām laktacīdajām spējām.
2. attēlā abās anaerobajās reakcijās iegūtā enerģija uzrādīta apvienoti. Anaerobā enerģijas ieguve dominē īslaicīgās slodzēs. Aerobās un anaerobās reakcijas augstas klases sportistam ir vienlīdz nozīmīgas tajās viņa speciālajās distancēs, kurās sacensības turpinās apmēram 3 – 4 min, piemēram, 1500 m skrējienā.
2. attēls. Anaerobo un aerobo enerģētisko reakciju relatīvā vērtība dažāda ilguma fiziskas slodzēs, kuras ar pilnīgu spēku atdevi veic sportists ar labi attīstītām anaerobajām un aerobajām spējām (piemērs) (pa vertikāli uzrādīts enerģijas patēriņš % no kopēja enerģijas patēriņa; t ass uzrada darba laiku, izteiktu lielumu logaritmiskajās vērtībās): a – aerobā enerģija; b – anaerobā enerģija.
Dažādos sporta veidos un vingrinājumos sportists ķīmiskās reakcijas izmanto atšķirīgi. Tās var noritēt arī vienlaicīgi, taču kādai no tām ir izšķirošā nozīme.
- Sprinteris, tāllēcējs, augstlēcējs u.c. savu rezultātu sasniedz, pateicoties KrF šķelšanai (kreatīnfosfokināzes reakcijai).
- Skrienot 400m, 800m distances, labo rezultātu nodrošina lielas sportista anaerobās spējas (galvenokārt laktātās).
- 3000 m, 5000 m, labi trenēti arī 10 000 m skrējienā izmanto visas trīs savos treniņos labi attīstītās enerģētiskās reakcijas, turklāt skrējiena taktika var atšķirties.
- Sportists ar labām ātruma īpašībām līdz pēdējam aplim izmanto galvenokārt savas aerobās spējas, glikolīzi pataupot pēdējam aplim un kreatīnfosfokināzes reakciju – finiša taisnei.
- Skrējējs, kuram ātruma īpašības nav tik pārliecinošas, mēģina jau distances vidusdaļā atrauties no sekotājiem, paralēli oksidācijas procesiem tiek lietota arī glikolīze. Taču tad līdz ar katru apli skriet kļūst arvien grūtāk, pieaug aizdusa un, ja atstarpe no pārējiem skrējējiem nav pietiekoši liela, finišā viņu panāk.
- Hokejisti mainās pēc apmēram 40 – 45 sekundēm, jo tad sevi liek manīt glikolīzē saražotā pienskābe.
- Šosejas riteņbraukšanas sacensībās anaerobās spējas tiek taupītas finiša spurtam.
Sacensībās, kurās sporta rezultāts ir atkarīgs no fiziskā darba jaudas, kreatīnfosfokināzes reakcija tiek izsmelta 3 – 7 s ilgā slodzē, bet glikolīzē – 45 – 90 sekundēs. Starta brīdī šīs ķīmiskās reakcijas gan vēl nesasniedz savu maksimālo aktivitāti (3. attēls). Tās var tikt izmantotas arī pakāpeniski, piemēram, daiļslidošanā, vingrošanā vai tādās distancēs, kur spēku sadalījums var atbilst taktiskajam plānam. Vienu sacensību laikā, piemēram, basketbola vai futbola spēlē, slēpošanas vai velotrases kāpumos, abas anaerobās reakcijas var tikt izmantotas atkārtoti.
3. attēls. Atsevišķo ķīmisko reakciju nozīme intensīvas fiziskās slodzes enerģētiskajā nodrošinājumā (pa vertikāli uzrādīts atbrīvotās enerģijas daudzums % no kopējā atbrīvotās enerģijas daudzuma; t ass iedaļas atbilst sekunžu skaita logaritmiskajām vērtībām).
Rezultātu sacensībās dažāda garuma distancēs izšķir atšķirīgas ķīmiskās reakcijas
Sprints, īsās distances – tās ir anaerobo spēju devums un treniņā arī tām tiek veltīta galvenā uzmanība. Ja labi trenēts sportists savu distanci sacensībās veic apmēram 3,5 – 4,0 minūtēs, tad rezultātu uz pusēm nodrošina organisma aerobās un anaerobās spējas, tāpēc treniņu darbs ir ļoti sarežģīts, jo jāattīsta tās abas.
Ja distances ir garas – maratons, zemākas klases sportistiem arī 10 000 m skrējiens, rezultātu nosaka organisma aerobās spējas, jo pēdējā minūtē parasti nekas daudz vairs nemainās. Citādi tas ir riteņbraukšanā, kur līderu labā strādā komandas biedri, ļaujot viņam braukt aizvējā un distances beigu daļā nokļūt grupas galvgalī, kur, pateicoties savām anaerobajām spējām un labajām ātruma īpašībām, viņš var cīnīties finiša spurtā. Ja distancē slēpotāji vai biatlonisti dodas no kopējā starta, tad arī reizēm viss var izšķirties anaerobajā finišā, līdz kuram sportists ir nokļuvis pateicoties savām aerobajām spējām.
Īpatnējas ir slodzes, kur darbs izpaužas kā muskuļu statisks sasprindzinājums
Ja tam nepieciešamais spēks nepārsniedz 20 – 25% no konkrētā muskuļa maksimālā spēka, darbs norit aerobi un var turpināties ilgi. Ja darbam nepieciešamais spēks pārsniedz šos procentus, muskulis sasprindzinoties savā izometriskajā kontrakcijā, kļūst tik blīvs, ka muskuļšķiedras saspiež muskulī esošās mazās artērijas. Cirkulācija tajās tiek pārtraukta un skābeklis muskulim netiek piegādāts. Tā rezultātā enerģija jāražo anaerobi. Muskulis ātri nogurst un artērijas ir ātri jāatbrīvo, respektīvi, izometriskā kontrakcija tiek pārtraukta. Tātad, ar lielu spēku nav iespējams izpildīt ilgstoši statiskas slodzes.
Raksta autors: Edgars Brēmanis (1935. – 2023.)
© SIA “Sporta izglītības aģentūra”, 2012
Publicētais saturs ir SIA “Sporta izglītības aģentūra” īpašums un ir autortiesību objekts, kas tiek aizsargāts Latvijas Republikas likumdošanā noteiktajā kārtībā.
Jebkuras informācijas pārpublicēšana vai izmantošana komerciālos nolūkos ir aizliegta. Satura vai to daļu izmantošana nav atļauta bez SIA “Sporta izglītības aģentūra” rakstiskas piekrišanas.