Предисловия от автора.
Написанное ниже отражает существующий взгляд на физиологические изменения, наступающие при занятиях бегом на длинные дистанции, а не личное мнение автора. Автор не ставил перед собой цели высоконаучно описать изменения всех четырех камер сердца и крупных сосудов, утомив читателя бесконечными физиологическими опусами. В силу профессиональной врачебной деформации автора некоторые использованные термины могут быть непонятны, путать или вызвать рвотный рефлекс – не стесняйтесь спрашивать, ибо не бывает глупых вопросов, особенно касающихся вашего сердца, переполненного радостью бега.
Данная заметка не дает ответа на вопросы, типа «а как мне пробежать марафон из 3 часов», «как мне улучшить рекорд Western States 100», «как надо тренироваться», «в какой обуви мне бегать», «а полезно ли бегать босиком», «нужно ли вообще бегать». Хочу напомнить, что никакие более-менее серьезные занятия спортом не дают индульгенции на регулярное поедание тонн майонеза, пары ведер картошки в McDonalds, килограмм сладостей за неделю, рюмочки за ужином и сигаретки по праздникам, мотивируя это тем, что «я заслужил, я все выбегаю завтра». При проблемах с сердцем надо обращаться к врачу, а не к интернету или бабке-целительнице.
Ускоренный курс биологии, физиологии и немножко анатомии.
Максимально просто и коротко напомню уважаемому читателю, что сердце – это полый мышечный орган, условно разделяемый на правое и левое сердце. Каждая такая «половина» состоит из предсердия и желудочка (итого, у нас два предсердия и два желудочка). Основная функция сердца – доставка кислорода в виде гемоглобина (содержащегося в эритроцитах) и питательных веществ к органам и тканям, а также удаление продуктов обмена (углекислый газ, продукты распада клеток и так далее).
Предсердие исполняет роль своеобразного «проводника» для крови, помогая заполнять желудочек. Заполненный желудочек представляет собой основную камеру, выбрасывающую кровь в систему кровообращения. Правый желудочек выбрасывает кровь в малый круг кровообращения (он находится в легких, там кровь обогащается кислородом, а «отходы производства» в виде углекислого газа удаляются), а большой круг кровообращения получает кровь, выбрасываемую левым желудочком, который и является главным «движком» сердца, именно на него пристально смотрят люди, занимающиеся спортивной физиологией.
Немного истории.
Сердце атлета исследуется на протяжении многих десятилетий. Наиболее ранние работы по изучению работы сердца при занятиях спортом документированы концом 18, началом 19 века, когда исследователи стали отмечать изменение размеров сердца и возникновение нарушений ритма у регулярно тренирующихся атлетов, не сопровождаемые, впрочем, ухудшением функции сердечно-сосудистой системы. В 1899 году, шведский ученый Henschen опубликовал работу, описав изменения со стороны сердца у элитных норвежских лыжников (1). Подобные же изменения были отмечены Eugene Darling у гребцов из Гарвардского университета (2). В начале 1900-х годов, Paul Dudley White был первым, кто описал брадикардию (низкий пульс) в покое у бегунов на длинные дистанции, изучая частоту и изменения пульса у участников Бостонского марафона (3).
Внедрение в практику врача рентгенографии подтвердило находки Henschen и Darling, продемонстрировав глобальное увеличение размеров сердца у тренированных атлетов (4, 5). Появление электрокардиографии (ЭКГ), а позднее и двухмерной эхокардиографии (ЭХО-КГ) послужило дальнейшим толчком к изучению изменений сердца у атлетов. Описание нарушений ритма, изменений камер и стенок сердца, клапанов, крупных сосудов – все это привело к более глубокому пониманию физиологической адаптации сердечно-сосудистой системы, развивающейся под влиянием бега.
К началу 20 века был накоплен значительный материал, показавший благоприятный характер изменений сердца под влиянием физических нагрузок. Однако в 1902 году было сделано заключение о том, что длительное «нахождение в спорте» приводит к преждевременному коллапсу сердечно-сосудистой системы, а изменения сердечно-сосудистой системы у атлетов, представляют собой форму «патологии от чрезмерного использования» (6). Эта концепция, получившая название «сердце атлета» неоднократно пересматривалась за последние 113 лет, а прямого подтверждения ей до сих пор не найдено.
В этой связи достаточно важным является исследование, проведенное на 114 итальянских атлетах уровня Олимпийской сборной. Работа не показала ухудшения функции левого желудочка или нарастания количества нежелательных нарушений со стороны сердечно-сосудистой системы за длительный (5-11 лет) период интенсивных занятий спортом (7). И хотя споры насчет пользы изменения функции сердца у спортсменов продолжаются до сих пор, большинство исследователей сходятся во мнении, что все изменения со стороны сердечно-сосудистой системы представляют собой вариант естественной адаптации, а не патологию.
Физиологические изменения сердца, связанные с бегом.
Для любознательных читателей доступны несколько великолепных работ, посвященных подробному разбору спортивной физиологии (8, 9, 10), поэтому в данном разделе будут представлены лишь общие изменения со стороны сердца. При занятиях бегом появляется прямая взаимосвязь между интенсивностью работы (внешней работой) и потребностью организма в кислороде. Эта потребность реализуется за счет увеличения захвата кислорода лёгкими (показатель VO2). Сердечно-сосудистая система ответственна за транспорт богатой кислородом крови из легких к скелетной мускулатуре и другим тканям и внутренним органам. Этот процесс обеспечивается сердечным выбросом (количество крови, выбрасываемой желудочком за одну минуту, в норме 4-8 л/мин). Формула для расчета сердечного выброса выглядит достаточно просто – ЧСС (частота сердечных сокращений, у нормального человека 60-100 уд/мин) умножить на УО (ударный объем, или объем крови, выбрасываемый желудочком за одно сокращение, обычно 60-100 мл/уд).
Несмотря на кажущуюся простоту, на каждый из показателей в этом уравнении влияет огромное количество факторов, а сам сердечный выброс способен легко увеличиваться в 5-6 раз при интенсивных физических нагрузках. Например, Miguel Indurain, или «Большой Миг», пятикратный победитель легендарной велогонки «Тур де Франс» имел в покое ЧСС 28 уд/мин. При нагрузке ЧСС и СВ спортсмена повышались соответственно до 220 уд/мин и 50 л/мин! Частота сердечных сокращений у спортсменов изменяется в широких пределах, от менее 40 уд/мин в покое до более 200 уд/мин у молодых, хорошо тренированных спортсменов. Именно повышение ЧСС способствует увеличению сердечного выброса при физических нагрузках.
Максимальная частота пульса естественным образом варьирует у разных людей, неуклонно снижается с возрастом, и не повышается с помощью тренировок (11, 12). В целом, ЧСС в покое будет снижаться примерно на 5-25 ударов в минуту при занятиях любым спортом. Природа этого феномена до конца не выяснена, но скорее всего снижение ЧСС является результатом сложных взаимодействий нервной системы и химических веществ, регулирующих скорость сокращения сердца и тонуса сосудов. При снижении ЧСС в покое остается больше времени на заполнение сердца. При увеличении объема и массы выбрасывающих кровь желудочков, происходит улучшение доставки кислорода и питательных веществ как к органам и тканям, так и к сердечной мышце - миокард. Все это делает миокард более эффективным и позволяет ему поддерживать наши потребности даже в самых непростых беговых ситуациях (привет, ультра-марафонцы!).
В противоположность этому, ударный объем (объем крови, выбрасываемой желудочком за одно сокращение) может довольно значимо увеличиваться как в состоянии покоя, так и при физической нагрузке, при условии регулярный и длительных занятий спортом. Увеличение камер сердца, а также приобретенная способность к увеличению ударного объема являются результатом тренировок на выносливость. К сожалению, в настоящее время неизвестно, какой из многих факторов, влияющих на ударный объем, играет ведущую роль в его увеличении.
Перестройка сердечно-сосудистой системы, в частности изменение сердечного выброса и тонуса сосудов зависят от вида спорта, которые условно можно поделить на две категории (по видам доминирующей активности):
- Изотонические виды спорта, где, прежде всего, идет развитие выносливости (динамический спорт) – сюда относятся бег на длинные дистанции, велосипед, гребля, плавание. Данный вид характеризуется высокой двигательной активностью и минимальной силовой. Основные изменения со стороны сердца – повышение ЧСС и ударного объема, тогда как тонус сосудов падает, но, в общем, у атлетов отмечается небольшое повышение артериального давления. Нагрузка сердца осуществляется преимущественно объемом крови.
- Изометрические виды спорта, или тренировка силы, характеризуются прежде всего повышением сосудистого тонуса и нормальным или чуть повышенным сердечным выбросом. К данным видам спорта можно отнести тяжелую атлетику, легкая атлетика с толканием или метанием снарядов, и американский футбол.
- Комбинация изотонического и изометрического спорта встречается, например, в хоккее, баскетболе, футболе.
Для того чтобы начали развиваться вышеописанные изменения (независимо, занимаетесь ли вы изотоническим или изометрическим видом спорта) необходимо заниматься регулярно. Как часто и как много?
На рисунке видно, что при суммарной физической нагрузке более 3 часов в неделю начинают появляться основные изменения в работе сердца и сосудов – снижается частота сердечных сокращений, увеличивается аэробная нагрузка и масса левого желудочка (13). И хотя редко бывает так, что спортсмен занимается видом спорта, попадающим в какую-то одну категорию, бег на длинные дистанции можно считать идеальным примером динамической активности.
Левый желудочек (ЛЖ) можно назвать «рабочей лошадкой» сердца, поскольку именно он выполняет основную работу по выбрасыванию крови в большой круг кровообращения, откуда она распределяется по органам и тканям. И именно левый желудочек быстрее реагирует на повышение физической активности, изменяясь и подстраиваясь сообразно потребностям своего владельца.
Долгое время считалось, что основное изменение ЛЖ, происходящее под влиянием бега на длинные дистанции – это его дилатация, или расширение, тогда как увеличение его массы, или гипертрофия не выражена сильно. Однако появившиеся в последнее время публикации говорят о том, что бег на длинные дистанции приводит к увеличению массы левого желудочка, его гипертрофии.
По сравнению со здоровыми добровольцами, у бегунов масса левого желудочка была больше примерно на 12%.
На рисунке видно увеличение толщины стенки ЛЖ как у мужчин (черные столбцы), так и у женщин-спортсменов (белые столбцы) (16).
На следующем рисунке представлено увеличение размеров левого желудочка с зависимости от вида спорта (белый столбец – влияние на размер камеры ЛЖ, черный столбец – влияние на толщину стенки ЛЖ), откуда видно, что бег на длинные дистанции приводит как к увеличению толщины ЛЖ (гипертрофия), так и к увеличению размера камеры (дилатация) (17).
Возможной причиной вышеописанных изменений является тот факт, что бег на длинные дистанции «обрастает» рядом дополнительных активностей, которые получили общее название «кросс-тренинг» (14, 15). Регулярный тренировочный стресс вызывает изменения не только левого желудочка. Для приема и выброса больших объемов крови необходимо, чтобы и правый желудочек (ПЖ) претерпел изменения, что и было подтверждено рядом исследований. Ряд работ с использованием эхокардиографии и магнитно-резонансной томографии подтвердил, что под влиянием регулярных тренировок на выносливость происходит увеличение как ЛЖ, так и ПЖ (18, 19). Дальнейшие исследования атлетов, тренировки которых направлены на повышение выносливости, обнаружили утолщение (гипертрофия) стенки ПЖ на фоне регулярных нагрузок (20).
Аорта, как самая крупная артерия организма, испытывает огромную нагрузку во время тренировки. Природа этой нагрузки зависит от вида спорта, при тренировках на выносливость аорта растягивается преимущественно большим объемом крови, тогда как давление повышается очень слабо. Очевидно, что подобные нагрузки приведут к изменениям аорты, что и было подтверждено в ряде исследований (21, 22). Увеличение размеров аорты, клапанов и других структур, связанных с этой артерией – вот основные находки у тренирующихся на выносливость атлетов.
Изменения, происходящее в сердечно-сосудистой системе у атлетов, сходны как у мужчин, так и у женщин. Однако существующие данные свидетельствуют о том, что у женщин эти изменения выражены меньше, чем у мужчин. Скорее всего, это связано с меньшей площадью тела у женщин, хотя четко объяснить данный феномен пока не могут (23, 24). Расовая принадлежность тоже играет роль в выраженности изменений сердечно-сосудистой системы. Доказано, что у чернокожих атлетов толщина стенки ЛЖ выражена сильнее (25).
Автор данного материала это наш друг и соавтор многих наших текстов врач Евгений Суборов.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:
1. Henschen S. Skidlauf und skidwettlauf: eine medizinische sportstudie. Mitt Med Klin Upsala. 1899; 2.
2. Darling EA. The effects of training: a study of the Harvard University crews. Boston Med Surg J. 1899;161:229–233.
3. White PD. The pulse after a marathon race. JAMA. 1918;71:1047–1048.
4. Roskamm H, Reindell H, Musshoff K, Koenig K. Relations between heart size and physical efficiency in male and female athletes in comparison with normal male and female subjects. Arch Kreislaufforsch. 1961;35:67–102.
5. Bulychev VV, Khmelevskii VA, Rutman l. Roentgenological and instrumental examination of the heart in athletes. Klin Med. 1965;43:108–114.
6. Moritz F. Uber orthodiagraphische untersuchungen am herzen. Med Wochenschr. 1902;49.
7. Pelliccia A, Kinoshita N, Pisicchio C, Quattrini F, Dipaolo FM, Ciardo R, Di Giacinto B, Guerra E, De Blasiis E, Casasco M, Culasso F, Maron BJ. Long-term clinical consequences of intense, uninterrupted endurance training in Olympic athletes. J Am Coll Cardiol. 2010;55: 1619–1625.
8. Thompson PD. Exercise prescription and proscription for patients with coronary artery disease. Circulation. 2005;112:2354–2363.
9. Rowell LB. Human Circulation: Regulation During Physical Stress. New York, NY: Oxford University Press; 1986.
10. Levine BD. Exercise and Sports Cardiology. New York, NY: McGraw Hill; 2001.
11. Jose AD, Collison D. The normal range and determinants of the intrinsicheart rate in man. Cardiovasc Res. 1970;4:160–167.
12. Uusitalo AL, Uusitalo AJ, Rusko HK. Exhaustive endurance training for 6–9 weeks did not induce changes in intrinsic heart rate and cardiac autonomic modulation in female athletes. Int J Sports Med. 1998;19: 532–540.
13. Fagard R, Aubert A, Staessen J, et al. Cardiac structure and function in cyclists and runners. Comparative echocardiographic study. Br Heart J 1984;52:124–9.
14. Fagard RH. Athlete’s heart: a meta-analysis of the echocardiographic experience. Int J Sports Med 1996;17(suppl 3):S140–4.
15. Fagard RH. Impact of different sports and training on cardiac structure and function. Cardiology Clinics 1997;15:397–412.
16. Pelliccia A, Maron BJ, Spataro A, Proschan MA, Spirito P. The upper limit of physiologic cardiac hypertrophy in highly trained elite athletes. N Engl J Med. 1991;324:295–301.
17. Milliken MC, Stray-Gundersen J, Peshock RM, Katz J, Mitchell JH. Left ventricular mass as determined by magnetic resonance imaging in male endurance athletes. Am J Cardiol. 1988;62:301–305.
18. Hauser AM, Dressendorfer RH, Vos M, Hashimoto T, Gordon S, Timmis GC. Symmetric cardiac enlargement in highly trained endurance athletes: a two-dimensional echocardiographic study. Am Heart J. 1985; 109:1038–1044.
19. Scharhag J, Schneider G, Urhausen A, Rochette V, Kramann B, Kindermann W. Athlete’s heart: right and left ventricular mass and function in male endurance athletes and untrained individuals determined by magnetic resonance imaging. J Am Coll Cardiol. 2002;40:1856–1863.
20. Henriksen E, Landelius J, Wesslen L, Arnell H, Nystrom-Rosander C, Kangro T, Jonason T, Rolf C, Lidell C, Hammarstrom E, Ringqvist I, Friman G. Echocardiographic right and left ventricular measurements in male elite endurance athletes. Eur Heart J. 1996;17:1121–1128.
21. Babaee Bigi MA, Aslani A. Aortic root size and prevalence of aortic regurgitation in elite strength trained athletes. Am J Cardiol. 2007;100: 528–530.
22. D’Andrea A, Cocchia R, Riegler L, Scarafile R, Salerno G, Gravino R, Vriz O, Citro R, Limongelli G, Di Salvo G, Cuomo S, Caso P, Russo MG, Calabro R, Bossone E. Aortic root dimensions in elite athletes. Am J Cardiol. 2010;105:1629–1634.
23. Pelliccia A, Maron BJ, Culasso F, Spataro A, Caselli G. Athlete’s heart in women: echocardiographic characterization of highly trained elite female athletes. JAMA. 1996;276:211–215.
24. George KP, Wolfe LA, Burggraf GW, Norman R. Electrocardiographic and echocardiographic characteristics of female athletes. Med Sci Sports Exerc. 1995;27:1362–1370.
25. Basavarajaiah S, Boraita A, Whyte G, Wilson M, Carby L, Shah A, Sharma S. Ethnic differences in left ventricular remodeling in highlytrained athletes: relevance to differentiating physiologic left ventricular hypertrophy from hypertrophic cardiomyopathy. J Am Coll Cardiol. 2008;51:2256–2262.