WYKŁAD IV

CZYM JEST FIZJOLOGIA PRACY?

Według różnych definicji, pracą może być każda czynność ludzka lub w węższym zakresie, celowa działalność człowieka, podczas której przekształca on zasoby, środki, przedmioty pracy i przystosowuje je do zaspokojenia swoich potrzeb za pomocą narzędzi. Praca jest warunkiem egzystencji, rozwoju człowieka i społeczeństwa.

Fizjologia pracy mierzy parametry fizjologiczne organizmu człowieka poddanego różnym obciążeniom, zarówno fizycznym - pracą mięśniową, jak i umysłowym - uwagą i procesami myślowymi.

Postęp techniczny zmierza w kierunku zmniejszenia obciążenia fizycznego, głównie dynamicznego, kosztem jednak większego udziału wysiłków o charakterze statycznym

i większego obciążenia psychicznego.

METODY PADAWCZE

Metody badawcze opierają się na pomiarze dynamiki zmian różnych parametrów ustroju w trakcie wykonywania pracy:

- układ mięśniowy - zapis prądów czynnościowych mięśni (EMG),

-układ krążenia - częstotliwość tętna, zapis prądów czynnościowych serca (EKG), ciśnienie skurczowe i rozkurczowe, zmiany w ukrwieniu narządów wewnętrznych i mięśni,

-układ oddechowy - skład chemiczny wydychanego powietrza, pojemność pojedynczego oddechu, częstość oddechów,

-mózg - zapis prądów czynnościowych mózgu (EEG), tomografia komputerowa, rezonans magnetyczny,

- analiza składu chemicznego płynów ustrojowych - badanie moczu, morfologia krwi, poziom hormonów.

WYDAJNOŚĆ FIZYCZNA

Wydolność fizyczna - zdolność do wykonywania maksymalnych wysiłków fizycznych przy wysokiej sprawności fizjologicznych mechanizmów zapewniających efektywną i ekonomiczną adaptację ustroju podczas pracy oraz szybki powrót do stanu wyjściowego

w czasie wypoczynku. Zależy od następujących czynników:

-potencjał energetyczny aerobowy

-potencjał energetyczny anaerobowy,

-stan fizyczny (wytrenowanie),

-wiek, płeć, wzrost i ciężar ciała.

MIĘŚNIE SZKIELETOWE

Za ruch ciała odpowiadają mięśnie szkieletowe - stanowią one czynny układ ruchu. U osoby średniego wzrostu i średniej budowy masa mięśni szkieletowych stanowi około 40% masy ciała (więcej u mężczyzn - około 43%, mniej u kobiet - około 37%).

Mięśnie szkieletowe zbudowane są z tkanki mięśniowej poprzecznie prążkowanej, która zawiera długie, cienkie komórki. Mięsień składa się z 20-60 tysięcy włókien. Włókienka kurczliwe wykazują naprzemiennie ułożone paski. W komórce mięśniowej występują dwa białka kurczliwe:

-aktyna - białko globularne. Dwa łańcuchy okręcają się dokoła siebie tworząc filament cienki, posiadający miejsce wiążące miozynę.

-miozyna - składa się z dwóch łańcuchów, nazywanych łańcuchami ciężkimi, zwiniętymi dokoła siebie. Każdy łańcuch ciężki kończy się główką. Makrocząsteczka ma zatem dwie główki, wykazujące aktywność enzymu ATP-azy po związaniu z aktyną.

-oraz troponina, tropomiozyna, tityna i nebulina.

OGNIWA UKŁADY RUCHOWEGO

Ogniwa układu ruchowego, kolejno:

-mózg, rdzeń kręgowy, nerwy obwodowe,

-synapsy nerwowo-mięśniowe, błona komórki mięśniowej,

-układ kanalików T, uwolnienie jonów Ca++ z siateczki endoplazmatycznej,

-interakcja białek kurczliwych, skurcz włókna, siła

SIŁA

Siła określonego rodzaju mięśnia jest wprost proporcjonalna do przekroju poprzecznego mięśnia i nie zależy od jego długości. Siła mięśni kręgowców wynosi około 5kg/cm² przekroju fizjologicznego.

Mięśnie wszystkich kręgowców zbudowane są na tej samej zasadzie i wraz ze spadkiem wielkości ciała, objętość mięśni, a więc również masa obniża się proporcjonalnie do trzeciej potęgi długości ich ciała.

Pole przekroju poprzecznego mięśni zmniejsza się proporcjonalnie tylko do kwadratu ich długości. Dlatego siła mięśni u zwierząt

o podobnym kształcie, względem masy ciała, relatywnie rośnie ze spadkiem jego długości.

Siła mięśni zależy od płci i wieku. Wartość maksymalna przypada na 20-30 rok życia. U mężczyzn powyżej 65 lat odnotowuje się spadek siły o ponad 20%. Kobiety rozporządzają siłą równą 2/3 odpowiednich wartości u mężczyzn. Różnice te nie występują

u chłopców i dziewcząt poniżej 10 roku życia

SKURCZE MIĘŚNI

Skurcze mięśni można podzielić na:

-izometryczne - podczas skurczu mięśnia zwiększa się jego napięcie i nie zmienia jego długość (można tu przypisać prace związane z trzymaniem),

-izotoniczne - podczas skurczu mięśnia nie zmienia się jego napięcie i zmienia się jego długość (czynności związane z przemieszczaniem ciała i przedmiotów),

-auksotoniczne (mieszane) - praktycznie każdy ruch, gdyż podczas skurczu skraca się zarówno długość mięśnia, jak i zmienia napięcie. Na przykład, gdy ramię podnosi określony ciężar, wyraźnej zmianie ulega zarówno długość, jak też obciążenie, ponieważ podczas ruchu zmienia się siła dźwigni oraz kąt podnoszenia.

-Skurcz koncentryczny - zgodny z kierunkiem ruchu (zginanie obciążonego ramienia) - praca dodatnia

-Skurcz ekscentryczny - niezgodny z kierunkiem ruchu (prostowniki uda w czasie przysiadu, schodzenie schodami - praca ujemna.

-Praca ujemna - podczas pracy mięśnie nie ulegają skróceniu, ale wydłużeniu - aktywnemu rozciąganiu, np. przy schodzeniu w dół po pochyłej powierzchni, przeciwstawianiu się np. sile prostującej przedramię w stawie łokciowym.

WYDAJNOŚĆ MIĘŚNI

Wydajność mięśni kończyn dolnych: 19-28% do 35%.

Wydajność mięśni kończyn górnych: 5-15%.

Jest to prawdopodobnie związane z większą masą mięśni i wobec tego mniejszej ilości pracy na jednostkę mięśni.

Wydajność mięśni wytrenowanych jest większa niż niewytrenowanych (sprawność maszyny parowej 25%, silnika spalinowego 30%, Diesla 45%).

ŻRÓDŁA ENERGII

Natychmiastowym źródłem energii dla skurczu mięśni jest ATP (adenozynotrifosforan), związek dostarczający energii niemal wszystkim procesom w organizmie. 

ATP jest jedyną substancją, którą białka mięśni mogą bezpośrednio zużytkować. Po oderwaniu od tego związku końcowej grupy fosforanowej wysoka energia wiązania dostarcza energii do skurczu mięśnia. ATP występuje w małych ilościach, cała jego ilość wystarcza na około 10 szybkich skurczów mięśnia, więc musi być szybko odnawiane.

Kolejnym źródłem jest fosfokreatyna, występująca w mięśniu w większej ilości. Jej grupa fosforanowa zostaje przeniesiona na ADP, doprowadzając do odbudowy ATP.

Zasoby fosfokreatyny muszą być też odnawiane, a podstawowym źródłem energii w mięśniach jest utlenianie węglowodanów lub kwasów tłuszczowych. Pośrednim paliwem jest glikogen, który występuje tam w ilości do 2% świeżej masy mięśnia

GŁÓWNE ŻRÓDŁA ENERGII

Głównym źródłem energii są węglowodany (1g=9,3kcal), potem tłuszcze (4,2kcal) i białka (4,1kcal). Związki wysokoenergetyczne, np. ATP nie ulegają spalaniu - nie są źródłem energii, lecz pośredniczą w wykorzystywaniu energii pochodzącej z utleniania tych podstawowych składników odżywczych.

W warunkach optymalnych dla spalania węglowodanów, zapotrzebowanie tlenowe w porównaniu z tłuszczami jest mniejsze o 10-15%.

Wartość kaloryczna tłuszczów jest największa, lecz podstawową rolę odgrywają węglowodany. Ich zaletą jest możliwość wykorzystania w intensywnych wysiłkach przy niedostatecznym zaopatrzeniu w tlen.

Glikogen jest kierowany na tor przemian tlenowych, jak i beztlenowych.

Drugim substratem energetycznym dla pracy mięśni są tłuszcze. Bezpośrednio przez mięśnie wykorzystywane są wolne kwasy tłuszczowe.

Podczas pracy mięśniowej wykorzystywane są kwasy tłuszczowe uwalniane z trójglicerydów zawartych w tkance mięśniowej oraz kwasy tłuszczowe wychwytywane z krwi przez komórki mięśniowe.

Jeśli intensywność wysiłku jest niewielka to udział tłuszczów

w pokryciu zapotrzebowania przekracza 50%, przy dużej intensywności większą część zapotrzebowania pokrywają węglowodany.

U osób pozostających na zwykłej diecie w warunkach,

w których zapotrzebowanie na tlen jest w pełni pokrywane, 60% zużywanej energii pochodzi ze spalania tłuszczów

KREW I KRĄŻENIE KRWI

Obciążenie pracą fizyczną powoduje zmiany podstawowych parametrów fizycznych w układzie krążenia:

-tętno - przeciętne spoczynkowe wynosi 60-80 (fizjologicznie około 70) uderzeń na minutę (u wytrenowanych nawet poniżej 40), a podczas wysiłku może przekraczać 200 uderzeń na minutę.

-ciśnienie krwi,

-pojemność skurczowa komór serca,

-pojemność minutowa serca.

CIŚNIENIE KRWI

Prawidłowa wartość ciśnienia u dorosłych, zdrowych osobników w tętnicy promieniowej w stanie spoczynku fizycznego i psychicznego w pozycji siedzącej: 120mmHg na 80mmHg

(z wiekiem się zwiększa).

Prawidłowe wartości mogą zmieniać się w szerokich granicach: skurczowe od 80 do 135mmHg, rozkurczowe od 60 do 80mmHg.

Podczas pracy fizycznej ciśnienie skurczowe wzrasta, rozkurczowe wykazuje niewielkie i niejednokierunkowe wahania. Osobników wytrenowanych (zdrowych) charakteryzuje niższe ciśnienie.

Po wysiłku zachowanie się ciśnienia zależy od ciśnienia wyjściowego i typu nerwowego osoby. Szczególnie niebezpieczne jest długie utrzymywanie się wysokiego ciśnienia rozkurczowego

- oznacza duży opór tętniczek i tętnic nadmiernie obciążający mięsień sercowy (nadciśnienie tętnicze).

POJEMNOŚCIU SKURCZOWA I MINUTOWA SERCA

Pojemność skurczowa komór serca -  w czasie spoczynku 70-80ml (podczas wysiłku nawet 200ml). Podczas wysiłku rozkurczowa pojemność komór nie wzrasta, może się nawet zmniejszać, zatem wzrost pojemności wyrzutowej następuje dzięki pełniejszemu opróżnianiu komór z krwi zalegającej, co wymaga większej siły skurczu mięśnia sercowego.

Pojemność minutowa serca wynosi 4,5-5,5 l/min i rośnie wraz z intensywnością wykonywanej pracy (w pewnych granicach jest funkcją liniową zużycia tlenu). Ma to na celu zwiększenie przepływu krwi przez aktywne narządy i tkanki, w związku z większymi potrzebami, wynikającymi z nasilenia procesów metabolicznych.

OCENA WYSIŁKU FIZYCZNEGO

Gunnar Borg opracował skalę subiektywnej oceny ciężkości wysiłku fizycznego (bez wpływów emocjonalnych) - liczba punktów na skali pomnożona przez 10 u zdrowych młodych ludzi odpowiada z dużą dokładnością częstości skurczów serca podczas tej pracy:

Punkty	Ocena pracy
6 7	Wyjątkowo lekka
8 9	Bardzo lekka
10 11	Dosyć lekka
12 13	Dosyć ciężka
14 15	Ciężka
16 17	Bardzo ciężka
18 19	Niezwykle ciężka

DYSTRYBUCJA KRWI

Poniższa tabela przedstawia przepływ krwi w stanie spoczynku i podczas pracy.

Narządy	Spoczynek		Ciężki wysiłek
		przepływ krwi (ml/min)	% objętości minutowej serca	przepływ krwi (ml/min)	% objętości minutowej serca
Trzewia Nerki Mózg Mięsień sercowy (naczynia wieńcowe) Mięśnie szkieletowe Skóra Inne narządy	1400 1100 750 250 1200 500 600 -	24 19 13 4 21 9 10 -	300 250 750 1000 22000 600 100 -	1 1 3 4 88 2,5 0,4 -
Objętość minutowa serca	5800		25000

ODDYCHANIE

O zużyciu tlenu przez organizm podczas wysiłku decyduje:

-stopień (wielkość) zapotrzebowania mięśni na tlen,

-ilość tlenu dostarczonego do mięśni,

-zdolność mięśni do wykorzystania dostarczonego im tlenu odpowiednio do potrzeb.

PUŁAP TLENOWY

Jest to maksymalna ilość tlenu, jaką organizm może wykorzystać w ciągu minuty. Ilość ta wynosi u osób niewytrenowanych 2,5-3,0 litra na minutę, a u wytrenowanych nawet 5-6 litrów na minutę.

Im większe możliwości wykorzystania dostarczanego tlenu, tym większa sprawność energetyczna organizmu (głównie mięśni) i większa zdolność do wykonania pracy.

Zużycie tlenu u osobnika nie wykonującego żadnej pracy wynosi około 250-300ml na 1 minutę. Po rozpoczęciu wysiłku, chwilowo występuje opóźnienie w zużyciu tlenu w stosunku do zapotrzebowania.

Po kilku minutach (szybciej u osób sprawnych fizycznie) zużycie tlenu zazwyczaj osiąga poziom odpowiadający potrzebom - równowaga między zapotrzebowaniem i zużyciem tlenu oraz między produkcją i wydalaniem dwutlenku węgla

DŁUG TLENOWY

Człowiek jest zdolny przez pewien czas wykonywać pracę o koszcie energetycznym przekraczającym pułap tlenowy. W mięśniach zachodzą wtedy przemiany beztlenowe (anaerobowe).

Uzyskiwanie energii w ten sposób ma dwie wady:

-dochodzi do gromadzenia kwaśnych produktów przemiany (kwas mlekowy),

 

-ilość energii jest znacznie mniejsza niż w przypadku przemian tlenowych (aerobowych).

Dług tlenowy jest to niedobór tlenu w stosunku do zapotrzebowania tlenu, tj. ilości tlenu pokrywającej całkowicie koszt energetyczny pracy. Przeciętnie jego wielkość jest silnie zróżnicowana od kilku do kilkunastu litrów (większe wartości

u wytrenowanych).

ILORAZ ODDECHOWY

Iloraz oddechowy (RQ - respiratoria quotiens) jest to stosunek objętości wydalonego dwutlenku węgla do objętości pobranego tlenu w określonym czasie, np. w ciągu minuty: RQ=VCO₂/VO_2.

Iloraz wskazuje, jakie substraty zostały wykorzystane do uzyskania energii:

-średnio około 0,85,

 -białka - 0,8,

-tłuszcze i alkohole - 0,7,

-węglowodany - 1.

Iloraz jest większy od 1, gdy bogate w tlen cukrowce przechodzą w ubogie w tlen kwasy tłuszczowe. Pozostały tlen wchodzi w procesy spalania i dlatego mniejsze ilości O₂ pobierane są z zewnątrz (np. podczas tuczenia).

HIPERWENTYLACJA

Nadmierne, szybkie wydychanie powietrza określa się mianem hiperwentylacji. Hiperwentylacja powoduje zmniejszenie prężności dwutlenku węgla oraz wzrost zawartości tlenu we krwi tętniczej.

W praktyce sportowej wykorzystywano wpływ hiperwentylacji na możliwość przedłużania bezdechu, np. w pływaniu, bezpośrednio przed startem. Pozwalało to na przedłużone pływanie pod wodą.

Jednak takie oddychanie może prowadzić do nadmiernego usuwania dwutlenku węgla z krwi i w efekcie doprowadzić do zaburzeń - zawrotów głowy, a nawet utraty przytomności.

Oddychanie czystym tlenem nie zwiększa istotnie możliwości wykonywania pracy. Ogólna pojemność tlenowa krwi zależy od wysycenia hemoglobiny tlenem

KLASYFIKACJA WYSIŁKÓW

Wysiłki można sklasyfikować ze względu na rodzaj energii na:

-anaerobowe (beztlenowe),

-aerobowe (tlenowe),

-mieszane (anaerobowo-aerobowe).

Ze względu na obciążenie na:

-lekkie - 10% max pochłaniania tlenu,

-średnio ciężkie 10-35%,

 -ciężkie 30-50%,

-bardzo ciężkie ponad 50%

PRACA DYNAMICZNA

W pracy dynamicznej przeważają skurcze auksotoniczne. Stwarzają ona sprzyjające warunki miejscowe - w momentach rozkurczu łatwiej zachodzą procesy odnowy

i występują dobre warunki dla krążenia krwi i oddychania tkankowego.

Umożliwia to rozwój energetycznych procesów tlenowych, co ma znaczenie dla wydajności i opóźniania wystąpienia objawów zmęczenia.

Praca dynamiczna może być wykonywana dłużej niż statyczna z obciążeniem tej samej wielkości.

PRACA STATYCZNA

W pracy statycznej występuje przewaga skurczów izometrycznych. Długotrwałe napięcie jest przyczyną wczesnego zmęczenia.

W pracy statycznej szereg czynników może ograniczać krążenie krwi i ograniczać czynność oddychania, co ma ujemny wpływ na warunki pracy. Praca statyczna zwłaszcza przy dużym obciążeniu, wykonywana jest zawsze na bezdechu (szczególnie przez niewytrenowanych).

Charakteryzuje się ponadto dużym napięciem i unieruchomieniem klatki piersiowej - ustaje dopływ tlenu do płuc i wydalanie CO₂, co równoznaczne jest z przerwaniem ruchów oddechowych klatki piersiowej i wzrostem ciśnienia śródpiersiowego.

Utrudnia to krążenie krwi (dopływ do prawego przedsionka) i pogarsza pracę serca. Występujący stały ucisk naczyń żylnych pogarsza krążenie krwi w żyłach i utrudnia dopływ krwi do serca

UKŁAD HORMONALNY A PRACA FIZYCZNA

Dostosowanie stanu funkcjonalnego organizmu do wysiłku zabezpieczają układy: nerwowy (szybki) i hormonalny.

Nadrzędną rolę w układzie dokrewnym pełnią ośrodki podwzgórza powiązane ściśle z przysadką, tworząc układ podwzgórzowo-przysadkowy

Wysiłek fizyczny silnie pobudza wydzielanie hormonu wzrostu (somatotropina, STH) - współdziała on w mobilizacji substratów energetycznych - powoduje nasilenie glikogenolizy i glukoneogenezy w wątrobie oraz lipolizy w tkance tłuszczowej - lepsze wykorzystanie tłuszczów.

---