Границы адаптации: комплексный анализ вклада анаэробных и аэробных систем в энергообеспечение мышц при интенсивных нагрузках

Способность генерировать энергию во время физических упражнений зависит от биоэнергетических путей в мышечных клетках. Эти пути включают фосфагенную, гликолитическую и окислительную системы фосфорилирования, которые работают сообща для ресинтеза аденозинтрифосфата (АТФ) и удовлетворения энергетических потребностей при физической нагрузке.

Понимание относительного вклада этих систем во время максимальной физической нагрузки имеет теоретическое и практическое значение для оптимизации спортивных результатов и тренировок. Цель данного исследования – систематизировать обзор литературы об относительном вкладе анаэробных и аэробно-энергетических систем во время одиночных нагрузок различной продолжительности. Авторскому коллективу предстояло объединить данные, полученные на основе различных методологий, для обеспечения более точного понимания взаимодействия энергетических систем и использования, как теоретических знаний, так и практических применений в спортивных достижениях и тренировках. В связи, с чем был проведен систематизированный поиск по электронным базам данных. При проведении анализа данных основное внимание уделялось, особенностям физических упражнений, методам оценки и относительному вкладу в энергетическую систему. Во время исследования использовалось не линейное регрессионное моделирование для оценки влияния анаэробных и аэробных нагрузок на различную продолжительность тренировки [1]. В процессе рассмотрения данной темы, стояла задача более углубленно разобраться в молекулярном изменении мышечных тканей во время проведенных нагрузок. Для того чтобы мышцы могли сокращаться, им постоянно нужна энергия. Главный источник этой энергии — молекула АТФ. Проблема в том, что запасы АТФ в клетках очень малы, а расходуются они мгновенно. Поэтому организм приспособился «проектировать» восстанавливать эти запасы, используя три разных энергетических механизма. Ученые выделяют три основных пути получения энергии: фосфагенный, гликолитический и окислительный.

Первые два работают без участия кислорода — это так называемый анаэробный обмен.

Он запускается, когда мы даем организму интенсивную, мощную нагрузку, например, спринтерский забег или работа с отягощением. В этом случае энергия берется из расщепления креатинфосфата и запасов гликогена в мышцах. Если же нагрузка совершается продолжительное время, организм переключается на аэробный путь (окислительное фосфорилирование). Здесь уже активно задействуется кислород. Переломным моментом является, когда анаэробные системы начинают уступать место аэробным, этот период наступает примерно через 75–80 секунд после начала интенсивной работы. Важно понимать, что эти системы не работают по отдельности, а постоянно взаимодействуют. Однако определить, какая именно доля энергии пришлась на анаэробный процесс во время полноценной тренировки, до сих пор остается непростой задачей для спортивной физиологии. Это требует сложных расчетов, так как в работу включаются почти все группы мышц одновременно [2].

Каждый подход включает в себя методологические вариации, которые приводят к несоответствиям в сообщаемых значениях. Во время упражнений высокой интенсивности поглощение кислорода значительно увеличивается, внося существенный аэробный вклад даже при кратковременных максимальных усилиях. Ускоренная кислородная кинетика может повысить скоростную выносливость, замедлить утомление и повысить производительность, особенно если она поддерживается эффективными стратегиями стимуляции.

Спортсмены, тренеры и практикующие специалисты могут оптимизировать производительность, адаптируя интенсивность тренировок, регулируя соотношение работы и отдыха выбирая стратегии стимуляции к конкретным требованиям энергетической системы на их упорядочивание. Спрогнозированные высокоинтенсивные тренировки могут улучшить как анаэробные, так и аэробные показатели, поддерживая работоспособность в широком спектре видов спорта [3].

Аэробная тренировка строится в диапазоне от скорости анаэробного порога мощности или скорости максимального потребления кислорода (МПК). Рассмотрим этот диапазон на простом примере, допустим, идет выполнение непрерывной работы на велотренажере или может быть это обычный бег по дистанции с какой-то равномерной скоростью, далее происходит ускорение, организм начинает ощущать усталость, быстрее уставать появляется одышка, и другие субъективные ощущения. Это является началом диапазона нагрузки, где длительные равномерные тренировки уже переходят в фазу интенсивности, каждый такой рывок постепенно увеличивает скорость утомления, следствием чего происходит физиологический отказ в продолжение работы. На данном этапе фиксируется, максимальное потребление кислорода, называют это состояние максимальной аэробной мощностью, когда наблюдается высокое или около максимальное значение ЧСС. Такой диапазон тренировочной нагрузки рекомендован в спринтерской интервальной тренировке.

Для восстановления АТФ (главного источника энергии в клетках) организм использует три энергетические системы. Анаэробные пути позволяют мышцам работать на предельной мощности, но очень недолго. Их ресурс быстро расходуется из-за того, что запасы фосфокреатина и гликогена заканчиваются, а в мышцах накапливаются продукты распада, повышающие кислотность среды. Совсем иначе работает аэробная система. Она использует кислород для расщепления жиров и углеводов в митохондриях. Этот процесс не такой быстрый, как анаэробный, зато он позволяет поддерживать работоспособность организма в течение долгого времени. Главный ограничитель здесь — возможности сердца, сосудов и легких по доставке кислорода к мышцам.

Важно понимать, что в организме нет «переключателя», который включает только одну систему.

Все три пути энергообеспечения работают одновременно и дополняют друг друга, чтобы покрыть потребности организма при любой нагрузке. Даже если человек делает всего несколько движений, задействованы все системы, где одна из них берет на себя основную нагрузку в зависимости от интенсивности и длительности упражнения[4]. Из-за этого деление видов спорта на «аэробные» и «анаэробные» считается довольно условным. Оно скорее описывает характер нагрузки, чем реальные физиологические процессы. Поэтому при оценке физической формы спортсмена важно смотреть не на общую категорию вида спорта, а на то, как именно системы энергообеспечения работают при конкретной длительности нагрузки (например, при 10-секундном спринте или длительном марафоне).

Традиционные параметры, такие как пиковые значения мощности, до наступления утомления или суммарный объем выполненной работы, безусловно, важны для оценки функционального состояния атлета. Однако они не позволяют с высокой точностью рассчитать реальные энергозатраты организма. По этой причине использование данных показателей в качестве эквивалентов энергетических систем (например, для оценки анаэробной или алактической работоспособности) зачастую является методологически неверным и может привести к искаженным выводам [5].

Для анализа того, как именно организм вырабатывает энергию во время предельных нагрузок, физиологи часто прибегают к расчету кислородного дефицита. Суть метода проста: сначала спортсмен выполняет несколько упражнений с умеренной интенсивностью. В это время замеряют, какое количество кислорода потребляет организм. Это позволяет вывести четкую закономерность: как именно растет потребности в кислороде при увеличении нагрузки.

Затем эту закономерность переносят на сверхвысокие нагрузки, с которыми организм уже не справляется только за счет дыхания.

Таким образом, определяется «теоретическая потребность» — объем кислорода, который был бы нужен, если бы аэробная система могла работать без ограничений. Разница между этим теоретическим числом и тем, сколько кислорода человек реально потребляет, и есть кислородный дефицит. Этот показатель наглядно показывает, какая доля энергии была получена за счет «быстрых» анаэробных процессов, а какая — за счет дыхания. Помимо этого метода, существуют, и другие способы способные оценить работу энергетических систем:

Биохимический анализ: это когда осуществляется забор, крови или мышечной ткани до и после нагрузки, чтобы посмотреть, как изменился уровень АТФ, креатинфосфата, лактата и других продуктов обмена.

Математическое моделирование: расчеты строятся на базе уже существующих научных данных и формул.

Анализ EPOC: измерение того, как долго и интенсивно организм потребляет кислород уже после завершения тренировки (так называемый «кислородный долг»), чтобы восстановить потраченные ресурсы.

В спортивной науке принято считать, что анаэробная энергия вырабатывается двумя путями: через фосфагенную систему (АТФ-ПЦр) и гликолиз. Однако на практике точно измерить, сколько именно энергии тратит организм при работе всех мышц сразу, крайне сложно. Прямые методы, которые хорошо работают при изучении отдельных мышц, не подходят для полноценных тренировок. А брать биопсию или делать сложные анализы крови прямо во время соревнований невозможно. Поэтому идеального способа оценки анаэробного вклада до сих пор не существует — все текущие методы лишь косвенные и опираются на определенные допущения [6].

Тема нашего исследования логически затрагивает еще один очень важный вопрос о том, как именно распределяется энергия в организме при предельных физических нагрузках, что вызывает споры в научной среде. Результаты исследований часто противоречат друг другу, что объясняется использованием разных методик, неодинаковыми условиями проведения тестов и индивидуальными различиями между спортсменами. Хотя основные принципы работы энергетических систем были описаны еще 25 лет назад, сегодня эти данные нуждаются в пересмотре с учетом современных технологий и накопленной статистики. Требуется провести сравнительную работу и систематизировать актуальные научные публикации уточнить, какую роль играют аэробные и анаэробные процессы при выполнении упражнений на пределе возможностей, в зависимости от их длительности [7].

В процессе изучения данного вопроса авторский коллектив попытался собрать и проанализировать все доступные данные о том, как именно работают аэробная и анаэробная системы организма во время предельных физических нагрузок. Чтобы ничего не упустить, мы провели масштабный поиск по семи научным базам данных. Мы охватили период с 1984 года по начало 2025 года. Для максимальной продуктивности мы объединили наши усилия с коллективом специализирующемся на спортивной медицине, составили список ключевых слов, касающихся взаимодействия энергетических систем. Полный перечень поисковых запросов для каждой базы данных можно найти в оформленной таблице.

Помимо официальных научных публикаций, мы искали информацию в «неофициальной» литературе через Google. Также мы изучили