Обмен веществ и энергии

     Обмен веществ и энергии 

     В живых организмах любой процесс  сопровождается передачей энергии. Энергию определяют как способность  совершать работу. Специальный раздел физики, который изучает свойства и превращения энергии в различных  системах, называется термодинамикой. Под термодинамической системой понимают совокупность объектов, условно  выделенных из окружающего пространства.

     Обмен веществ и энергии - это совокупность физических, химических и физиологических  процессов превращения веществ  и энергии в живых организмах, а также обмен веществами и  энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ у живых  организмов заключается в поступлении  из внешней среды различных веществ, в превращении и использовании  их в процессах жизнедеятельности  и в выделении образующихся продуктов  распада в окружающую среду.

     Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии объединены общим  названием - метаболизм (обмен веществ). На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности реакций, называемые путями метаболизма, и могут включать тысячи разнообразных  реакций. Эти реакции протекают  не хаотически, а в строго определенной последовательности и регулируются множеством генетических и химических механизмов. Метаболизм можно разделить  на два взаимосвязанных, но разнонаправленных  процесса: анаболизм (ассимиляция) и  катаболизм (диссимиляция).

     Анаболизм - это совокупность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов  клетки и других структур органов  и тканей). Он обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также накопление энергии (синтез макроэргов). Анаболизм заключается в химической модификации и перестройке поступающих с пищей молекул в другие более сложные биологические молекулы. Например, включение аминокислот в синтезируемые клеткой белки в соответствии с инструкцией, содержащейся в генетическом материале данной клетки.

     Катаболизм - это совокупность процессов расщепления  сложных молекул до более простых  веществ с использованием части  из них в качестве субстратов для  биосинтеза и расщеплением другой части  до конечных продуктов метаболизма  с образованием энергии. К конечным продуктам метаболизма относятся  вода (у человека примерно 350 мл в  день), двуокись углерода (около 230 мл/мин), окись углерода (0,007 мл/мин), мочевина (около 30 г/день), а также другие вещества, содержащие азот (примерно б г/день).

     Катаболизм  обеспечивает извлечение химической энергии  из содержащихся в пище молекул и  использование этой энергии на обеспечение  необходимых функций. Например, образование  свободных аминокислот в результате расщепления поступающих с пищей  белков и последующее окисление  этих аминокислот в клетке с образованием СО2, и Н2О, что сопровождается высвобождением энергии.

     Процессы  анаболизма и катаболизма находятся  в организме в состоянии динамического  равновесия. Преобладание анаболических  процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста (в детском возрасте преобладает анаболизм, у взрослых обычно наблюдается равновесие, в старческом возрасте преобладает катаболизм), состояния здоровья, выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки. 

Дыхательная система

     Дыхательная система состоит из тканей и органов, обеспечивающих легочную вентиляцию и легочное дыхание.

     Дыхание — это единый процесс, осуществляемый целостным организмом и состоящий из трех неразрывных звеньев: а) внешнего дыхания, т.е. газообмена между внешней средой и кровью легочных капилляров; б) переноса газов, осуществляемого системами кровообращения; в) внутреннего (тканевого) дыхания, т.е. газообмена между кровью и клеткой, в процессе которого клетки потребляют кислород и выделяют углекислоту. Основу тканевого дыхания составляют сложные окислительно-восстановительные реакции, сопровождающиеся освобождением энергии, которая необходима для жизнедеятельности организма. Функциональное единство всех звеньев системы дыхания, обеспечивающих доставку тканям кислорода, достигается за счет тонкой нейрогуморальной и рефлекторной регуляции.

     Дыхание у человека и высших животных осуществляется практически полностью через  легкие. Через кожу и пищеварительный  тракт поглощается не более 1—1,5% получаемого организмом кислорода. Обновление воздуха в органах  дыхания происходит в результате ритмической смены вдоха и  выдоха. Часть поступающего в дыхательные  пути воздуха не участвует в обмене. Это воздух «вредного пространства»— носоглотки, трахеи, бронхов и бронхиол. Объем его составляет 140—150 см³.

     В состоянии покоя человек использует лишь 20-25% дыхательной поверхности  легких, остальные 75-80% включаются только в случае интенсивных физических нагрузок.

     Установлена роль дыхательной мускулатуры в  активизации дыхания во время  физической работы, а также выявлено, что дыхательная мускулатура  во время занятий циклическими видами спорта (лыжные гонки, академическая  гребля, плавание, бег на длинные  дистанции и др.) являются лимитирующим фактором спортивной (физической) работоспособности.

     Работоспособность человека (в частности, спортсмена) определяется в основном тем, какое  количество кислорода (О₂) забрано из наружного воздуха в кровь легочных капилляров и доставлено в ткани и клетки. Указанные выше три звена (системы) дыхания тесно связаны между собой и обладают взаимной компенсацией. Так, при сердечной недостаточности наступает одышка, при недостатке О₂ в атмосферном воздухе (например, в среднегорье) увеличивается количество эритроцитов — переносчиков кислорода, при заболевании легких наступает тахикардия.

     Дыхательная система человека состоит из тканей и органов, обеспечивающих легочную вентиляцию и легочное дыхание. К  воздухоносным путям относятся: нос, полость носа, носоглотка, гортань, трахея, бронхи и бронхиолы. Легкие состоят из бронхиол и альвеолярных мешочков, а также из артерий, капилляров и вен легочного круга кровообращения. К элементам костно-мышечной системы, связанным с дыханием, относятся  ребра, межреберные мышцы, диафрагма  и вспомогательные дыхательные  мышцы.

     Поступление воздуха в легкие (вдох) является результатом сокращения дыхательных  мышц и увеличения объема легких. Выдох  происходит вследствие расслабления дыхательных  мышц. При этом ребра и грудина  опускаются книзу, а более высокое, чем в грудной полости, внутрибрюшное  давление смещает купол диафрагмы  в сторону легких. При форсированном  вдохе в работу вовлекаются мышцы  верхней части туловища. Форсированному выдоху способствует сокращение мышц живота.

     Как при вдохе, так и при выдохе сохраняется отрицательное давление в межплевральной полости, находящейся между париетальным (пристеночным) и висцеральным (легочным) листками плевры. Это обусловлено эластическим сопротивлением легочной ткани, препятствующей передаче атмосферного давления на пристеночный листок плевры. Величина отрицательного давления на вдохе составляет около 0,9 кПа, на выдохе— около 0,3 кПа.

      Раскрыть механизм влияния физических упражнений на основные компоненты дыхательной  системы (легкие, дыхательную  мускулатуру)

     В занятиях лечебной физической культурой  при заболеваниях органов дыхания  применяются общетонизирующие и специальные (в том числе дыхательные) упражнения.

     Общетонизирующие упражнения, улучшая функцию всех органов и систем, оказывают активизирующее влияние и на дыхание. Для стимуляции функции дыхательного аппарата используются упражнения умеренной и большой интенсивности. В случаях, когда эта стимуляция не показана, применяются упражнения малой интенсивности. Следует учесть, что выполнение необычных по координации физических упражнений может вызвать нарушение ритмичности дыхания; правильное сочетание ритма движений и дыхания при этом установится лишь после многократных повторений движений. Выполнение упражнений в быстром темпе приводит к увеличению частоты дыхания и легочной вентиляции, сопровождается усиленным вымыванием углекислоты (гипокапнией) и отрицательно влияет на работоспособность.

     Специальные упражнения укрепляют дыхательную  мускулатуру, увеличивают подвижность  грудной клетки и диафрагмы, способствуют растягиванию плевральных спаек, выведению  мокроты, уменьшению застойных явлений  в легких, совершенствуют механизм дыхания и координации дыхания  и движений. Подбираются упражнения соответственно требованиям, предъявляемым  клиническими данными. Например, для  растягивания плевродиафрагмальных спаек в нижних отделах грудной клетки применяются наклоны туловища в здоровую сторону в сочетании с глубоким вдохом; для растягивания спаек в боковых отделах грудной клетки - наклоны туловища в здоровую сторону в сочетании с глубоким выдохом. Толчкообразный выдох и дренажные исходные положения способствуют выведению из дыхательных путей скопившейся мокроты и гноя. При снижении эластичности легочной ткани для улучшения легочной вентиляции применяются упражнения с удлиненным выдохом и способствующие увеличению подвижности грудной клетки и диафрагмы.

     При выполнении специальных упражнений во время вдоха под воздействием дыхательных мышц происходит расширение грудной клетки в передне-заднем, фронтальном и вертикальном направлениях. Поскольку вентиляция осуществляется неравномерно, больше всего воздуха поступает в части легкого, прилегающие к наиболее подвижным участкам грудной клетки и диафрагмы, хуже вентилируются верхушки легких и отделы около корня легкого. При выполнении упражнений в исходном положении лежа на спине ухудшается вентиляция в задних отделах легких, а в исходном положении лежа на боку почти исключаются движения нижних ребер.

     Учитывая, что неравномерность вентиляции легких особенно проявляется при  заболеваниях органов дыхания, специальные  дыхательные упражнения следует  применять при необходимости  улучшить вентиляцию в различных  участках легких. Увеличение вентиляции верхушек легких достигается за счет углубленного дыхания без дополнительных движений руками в исходном положении  руки на пояс. Улучшение вентиляции задних отделов легких обеспечивается усилением диафрагмального дыхания. Увеличению поступления воздуха  в нижние отделы легких способствуют упражнения в диафрагмальном дыхании, сопровождающиеся подъемом головы, разведением  плеч, подъемом рук в стороны или  вверх, разгибанием туловища. Дыхательные  упражнения, увеличивающие вентиляцию легких, незначительно повышают потребление  кислорода.

     При лечебном применении дыхательных упражнений необходимо учитывать ряд закономерностей. Обычный выдох осуществляется при  расслаблении мышц, производящих вдох, под действием силы тяжести грудной  клетки. Замедленный выдох происходит при динамической уступающей работе этих мышц. Выведение воздуха из легких в обоих случаях обеспечивается в основном за счет эластических сил  легочной ткани. Форсированный выдох  происходит при сокращении мышц, производящих выдох. Усиление выдоха достигается наклоном головы вперед, сведением плеч, опусканием рук, сгибанием туловища, подъемом ног вперед и т. п. При необходимости щадить пораженное легкое дыхательные упражнения проводятся в исходных положениях, ограничивающих подвижность грудной клетки с больной стороны (например, лежа на больном боку). При помощи дыхательных упражнений можно произвольно изменять частоту дыхания. Больше других применяются упражнения в произвольном замедлении частоты дыхания (для лучшего эффекта в этих случаях рекомендуется вести подсчет «про себя»), Оно уменьшает скорость движения воздуха и снижает сопротивление его прохождению через дыхательные пути. Учащение дыхания увеличивает скорость движения воздуха, но при этом увеличивается сопротивление и напряжение дыхательных мышц. При показаниях к усилению вдоха или выдоха следует во время выполнения дыхательных упражнений произвольно изменять соотношение по времени между вдохом и выдохом (так, при усилении выдоха - увеличивать его продолжительность).

     Лечебная  физическая культура противопоказана  в острой стадии большинства заболеваний, при тяжелом течении хронических  заболеваний, при злокачественных  опухолях мышц.