Изучение влияния различных физических нагрузок на организм человека по цитологии буккального эпителия
Бесолов В. М., гл. врач Центра медицинской профилактики; Канатова И. Т., к.б.н., доцент СОГУ, засл. деятель науки РСО-Алания; г. Владикавказ
Известно, что двигательная активность играет важную роль не только в сохранении здоровья, но и в стимуляции умственной деятельности человека (Карпов В. А., Петров П. К., 1996; В. Н. Соловьев А. П., 1996; Сорокина А. П., 1966). Регулярные занятия физической культурой в молодом возрасте в основном направлены на совершенствование физической подготовленности и физического развития, профилактику заболеваний, которые обычно могут развиваться в старшем возрасте. Физические упражнения в среднем возрасте направлены на укрепление здоровья и профилактику заболеваний, предупреждение преждевременного старения (Абросимов Л. И. с соавт., 1993; Хачатурян Ю. А., 1991).
Изучение морфологических особенностей организма спортсменов различных специализаций является насущной проблемой сегодняшнего дня, так как в зависимости от индивидуальных характеристик организма и вида специализации тренировки по-разному сказываются на структурных свойствах организма.
Как известно, по морфологии клеток слизистой щеки можно оценить как адекватность физических нагрузок, так и их эффективность (Баевский Р. М., 1980; Байба-ев А. А., 1985; Боровский Е. В., Грошиков М. И., Патрикеев В. К., 1982; Гетлинг З. М., Персина И. С., 1997; Дзгое-ва Т. А., Канатова И. Т., 1981; Епишев В. А. с соавт., 1986; Кулешов В. И., 1995; Рыжавский Б. Я., Холодок Г. Н., 1995; Хусаинов И. С. с соавт., 1997).
В этой связи целью настоящего исследования явилось изучение на цитологическом уровне влияния физических нагрузок разной мощности и интенсивности на организм человека.
Материал и методика
Материалом для исследования служили мазки со слизистой щеки, которые обрабатывались и анализировались по В. Д. Дышловому (1975). У всех обследуемых брали соскобы со слизистой щеки и готовили препараты на предметном стекле, окрашивали 1% ацетоорсеином и микроскопировали под масляной иммерсией в световом микроскопе. В каждом препарате анализировали подряд 100 ядер и определяли процентное соотношение 10 видов ядер, из которых были выделены 5 наиболее информативных видов: с дисперсным хроматином, с глыб-чатым хроматином, гетерохроматинизированные, вакуо-лизированные и дегенеративные. Параллельно в ядрах клеток определяли содержание основных и кислых белков по М. Г. Шубич с соавт. (1975).
Мазки анализировали у 50 бегунов (18—21 лет), 20 борцов (17—20 лет) и 11 футболистов (17—26 лет).
По классности и тренированности все бегуны были разделены на три группы: первая — члены сборной по кроссу (10 человек); вторая — спортсмены III разряда (20 человек); третья — лица с низким уровнем физической подготовки (20 человек, 10 из них — с различными жалобами на состояние здоровья).
Испытуемые выполняли соревновательный бег на 3 км, относящийся к зоне смешанного, аэробно-анаэробного обеспечения. Кроме того, в первой группе проводился темповый бег на 15 км. Перед забегами, сразу после них и через сутки у испытуемых замерялся пульс, артериальное давление и брались мазки со слизистой щеки.
Нами изучена динамика восстановительных процессов у футболистов при нагрузках разного объема, характера и интенсивности. Обследование футболистов проводилось при тренировочных занятиях разной мощности и интенсивности; разной направленности и нагрузках при соревновательной деятельности.
На второй день после однодневного отдыха спортсмены получили две тренировочные нагрузки большой мощности, высокой интенсивности (объем скоростной работы составил для 1-й тренировки S = 5100 м при ЧССмакс = 186 уд./мин., для 2-й — S = 1900 м при ЧССмакс = 182 уд./мин.).
На третий и четвертый день давались нагрузки средней интенсивности (объем работы после 1-й тренировки составил S=1720 м, после 2-й S=2355 м). На пятый день спортсмены отдыхали.
При изучении влияния тренировочной нагрузки различной направленности команда футболистов была разделена на 2 группы. Первая выполняла скоростную работу 4 раза по 3 минуты, отдых между забегами составлял 1,5 минуты (общий объем скоростной работы за 3 минуты S=300 м, общий объем скоростной работы — 4х300 м, S=1200 м). Вторая группа выполняла упражнение «удерживание мяча» четыре раза по 3 минуты, отдых между упражнениями и общий объем скоростной работы были такие же, как и у 1-й группы. Буккальные соскобы брали через каждые 5 минут после нагрузки.
Весь цифровой материал обработан статистически по методу Фишера с использованием таблиц Стьюдента.
Результаты исследования и их обсуждение
Согласно нашим данным, после физической нагрузки у всех испытуемых наблюдалось повышение артериального давления и учащение пульса в физиологических пределах, соответствующих заданной работе. На следующий день указанные показатели соответствовали исходным данным.
У спортсменов-борцов после интенсивной физической нагрузки в течение трех дней наблюдались определенные изменения в кариограммах мазков со слизистой щеки. В первый тренировочный день уменьшалась доля ядер с глыбками хроматина от одной до трех ^<0,01). На второй день регистрировалась деконденсация хроматина — доля ядер с конденсированным хроматином уменьшалась в 2 раза р<0,01). На третий день к вышеуказанным изменениям присоединились вакуолизация и дегенерация ядер, что является отражением перегрузок организма. Восстановление кариограммы регистрировалось через
1 —2 дня после отдыха, и зависела от тренированности спортсмена.
Результаты цитологических анализов у обследуемых бегунов после бега на 3 и 15 км представлены в таблице 1. Учитывая, что у спортсменов первой группы после бега на 3 км никаких существенных сдвигов в морфологии ядер не наблюдалось, мы не внесли их в таблицу.
Как видно из таблицы 1, под влиянием физической нагрузки у всех испытуемых наблюдались существенные изменения в морфологии ядер, характерные для изменения общего состояния организма. Интересно, что соотношение ядер у спортсменов с различной тренированностью менялось неодинаково. Так, у наименее подготовленных спортсменов происходило резкое увеличение доли разрушенных ядер, которое не восстанавливалось после дня отдыха. Это наблюдалось на фоне ухудшения общего состояния организма и выражалось в общей слабости, утомлении и появлении у некоторых испытуемых болей в области сердца. Эти изменения были особенно выражены у бегунов 3-й группы. Что касается спортсменов 1-й группы, то у них как после соревновательного бега на 3 км, так и после темпового бега на 15 км каких-либо изменений в самочувствии не наблюдалось, а количество разрушенных ядер в мазках существенно не изменялось. У всех спортсменов после нагрузок определялась обратимая деконденсация хроматина, уменьшение количества ядер с конденсированными глыбками (от одной до трех) на фоне вакуолизации ядер. Спортивная практика показывает, что для достижения успеха в спорте и развития способностей спортсмена тренировочные нагрузки должны быть околопредельными, требующими
значительной мобилизации возможностей спортсмена. Вместе с тем, практика спортивной тренировки показала бесспорную необходимость увеличения тренировочных нагрузок вместе с ростом мастерства и спортивных результатов занимающихся (Виру А. А., Кырге П. К., 1983).
Тренировочная нагрузка имеет две взаимосвязанные стороны — объем и интенсивность. Под объемом понимается суммарное количество проделанной работы, то есть количество выполненных игровых приемов, километраж пробегаемых дистанций. Однако указанная работа может выполняться с различной степенью напряженности — интенсивности. В футболе интенсивность определяется главным образом быстротой игровых приемов, скоростью пробега дистанции и т. д. (Верхошанский Ю. В., 1985).
К сожалению, гигиеническое нормирование физических нагрузок затруднено из-за того, что не учитывается функциональное состояние организма спортсмена, его физическое развитие (Абросимова Л. И. с соавт., 1993; Василенко А. М., Чистяков А. В., 1985). В то же время неадекватные физические нагрузки могут быть причиной развития различных заболеваний (Дембо А. Г., 1988; Хорунжев А. Г., 1994).
Как показали наши исследования у футболистов (табл. 2), в разные дни отдыха цитологическая картина буккальных клеток существенно не отличалась (Р>0,1).
В этот период в мазках преобладали морфологически неизмененные ядра. Доля дегенеративных ядер колебалась от 0,5 до 7%, а вакуолизированных — в среднем составляла 8,1 ±1,0%.
Таблица 1
Обследование ядра с дисперсным хроматином ядра с глыбчатым хроматином Гетерохроматини-зированные ядра Вакуолизированные ядра Дегенеративные ядра
I. Бег на 15 км, 1 группа
До нагрузки 14,1±1,6 71,3±1,7 1,0±0,2 11,0±1,7 1,2±0,2
После нагрузки 22,6±1,3 41,3±2,4** 5,6±0,7** 26,1±1,7** 1,6±0,3
На 2 день 15,8±0,6* 68,7±1,7* 1,6±0,3* 15,6±0,6* 0,6±0,3
II. Бег на 3 км, 2 группа
До нагрузки 15,8±0,8 59,9±2,0 3,0±0,3 17,6±1,1 3,0±0,6
После нагрузки 20,0±1,4* 35,1±2,0** 4,1±0,4 31,3±2,1** 8,3±1,3**
На 2 день 16,5 ±0,7* 54,4±2,0** 2,3±0,3* 20,6±1,6** 3,7±1,00**
3 группа
а) здоровые
До нагрузки 16,4±1,0 60,5±2,0 2,4±0,3 15,8±1,2 4,3±0,6
После нагрузки 17,3±1,0 34,4±2,0** 4,0±0,5 28,2±1,4** 16,5±0,9**
На 2 день 15,6±0,9 49,8±2,0** 2,3±0,3 20,8±1,5** 9,0±0,9*
б) больные
До нагрузки 15,6±1,2 47,6±2,0 3,0±0,4 18,8±1,0 13,6±1,7
После нагрузки 15,4±1,8 26,8±1,7** 4,2±0,8 27,0±2,3** 25,6±1,6**
На 2 день 15,0±1,2 26,8±1,7 2,0±0,6 21,6±1,7* 20,0±1,7*
Примечание: * - Р<0,05; ** - Р<0,01
Влияние нагрузки на кариограммы бегунов с различной физической подготовкой
'саи»лч
ДИАГНОСТИКА
Таблица 2
Влияние физических нагрузок разной мощности и интенсивности на соотношение ядер различной
морфологии у футболистов
Обследование ядра с дисперсным хроматином ядра с глыбчатым хроматином Гетерохроматини-зированные ядра Вакуолизированные ядра Дегенеративные ядра
1 день
Отдых 28,0±1,8 41,3±2,5 18,2±1,7 8,1±1,0 4,4±1,0
2 день
До нагрузки 24,0±0,8 59,0±2,5* 11,2±1,2* 3,7±0,6* 1,9±0,2*
После нагрузки 15,3±1,5* 32,4±1,5* 24,4±2,3* 15,9±1,0* 12,0±1,5*
3 день
До нагрузки 19,6±1,9 35,4±1,7 22,8±3,1 11,5±2,1 12,0±1,5
После нагрузки 18,3±3,5 26,0±1,5* 23,6±3,2 10,8±1,7 24,0±1,5*
4 день
До нагрузки 24,0±1,8 38,8±1,5* 18,2±1,7* 11,4±2,1 7,6±1,0*
После нагрузки 24,6±1,8 30,6±1,5* 24,0±1,7* 12,6±2,0 8,2±1,5
5 день
Отдых 28,0±1,8 43,8±1,5* 20,3±2,2 6,1±1,3* 1,8±0,2*
Как видно из таблицы 2, на второй день после отдыха содержание морфологически измененных ядер существенно уменьшается (Р<0,01). После нагрузки большой мощности и высокой интенсивности соотношение ядер разной морфологии резко изменялось: доля гетерохро-матинизированных ядер увеличивалась в 2 раза (Р<0,01), вакуолизированных — в 4 раза (Р<0,001) и дегенеративных — в 6 раз (Р<0,001).
Большинство футболистов после этой тренировки чувствовали себя утомленными, у двух появились головные боли. Через 24 часа после максимальной нагрузки (на следующий день) регистрировались незначительные признаки утомления, однако существенных изменений в цитологической картине не наблюдалось. Сохранился высокий уровень дегенеративных ядер. На фоне этих изменений футболисты получили нагрузку средней интенсивности, после чего дегенеративные изменения в ядрах резко увеличились. На следующий день доля дегенеративных ядер уменьшилась в три раза, существенно увеличилась доля морфологически неизмененных ядер, при этом физически футболисты восстановились полностью. Повторная нагрузка средней интенсивности уже существенно не отразилась на цитологической картине. На следующий день после отдыха определялось высокое содержание морфологически неизмененных ядер и минимум вакуолизированных и дегенеративных ядер, что является показателем восстановления работоспособности, возвращение к исходному до тренировки состоянию. Важно отметить, что цитологические сдвиги четко коррелировали с самочувствием и работоспособностью спортсмена и зависели от его тренированности. Чем тренированнее и работоспособнее футболист, тем выше содержание ядер с дисперсным и глыбчатым хроматином и меньше разрушающихся ядер после тренировочных нагрузок.
Примечание: * - разница достоверна
Таким образом, в цитологии буккального мазка спортсменов на второй день после максимальных нагрузок восстановления не происходит, а после нагрузок средней интенсивности морфология ядер полностью восстанавливается.
Согласно полученным нами данным, на следующий день после высоких нагрузок футболистам следовало еще больше уменьшить тренировочную нагрузку, что позволило бы работать более эффективно.
Итак, тренировочная нагрузка должна быть достаточно большой и интенсивной, но не чрезмерной. Она не должна приводить к резкому замедлению восстановительных процессов в организме спортсменов.
Далеко не безразлично, когда следует давать повторную нагрузку. Если она начинается раньше окончания полного восстановления, то вместо тренирующего эффекта мы будем иметь хроническое истощение. Наконец, применяя повторную нагрузку в фазе суперкомпенсации, мы получим нужный нам тренирующий эффект, то есть повышение уровня функциональных возможностей.
Поэтому очень важно стараться индивидуализировать планирование нагрузок. Рост тренированности футболистов находится в прямой зависимости от величины тренировочных нагрузок. В случае, если нагрузки будут стандартными, организм приспособится к ним и не будет отвечать дальнейшим повышением своих функциональных возможностей. Из этого следует, что одним из основополагающих принципов спортивной тренировки является постепенное увеличение нагрузок (Романенко А. Н., 1979).
В таблице 3 представлены средние цифровые показатели содержания ядер разной морфологии 11 футболистов до и после домашней игры и на следующий день после отдыха.
Как видно из таблицы, в периоды отдыха у футболистов определяется высокий процент морфологически
Таблица 3
Соотношение ядер разной морфологии в буккальных мазках футболистов в период соревновательной
деятельности (домашняя игра)
Обследование ядра с дисперсным хроматином ядра с глыбчатым хроматином Гетерохроматини-зированные ядра Вакуолизированные ядра Дегенеративные ядра
В период отдыха 28,0±1,8 43,3±2,5 18,4±1,7 8,1±1,0 4,4±1,0
До игры P1,2 20,3±3,7 <0,05 25,7±1,8 <0,001 17,7±3,5 >0,1 18,7±4,2 <0,01 17,6±4,2 <0,01
После игры P2,3 16,0±1,8 >0,1 20,8±1,8 <0,05 22,4±1,7 >0,1 19,3±4,2 >0,1 24,2±4,2 <0,05
На следующий день P3,4 P1,4 31,3±6,4 <0,01 >0,1 30,1±1,8 <0,01 <0,01 19,3±4,2 >0,1 >0,1 11,3±2,0 <0,05 >0,1 7,4±2,0 <0,01 >0,1
неизмененных ядер. Согласно нашим данным, морфология ядер слизистой щеки начинает существенно меняться уже до игры — сказывается эмоциональная нагрузка. Изменения в цитологии мазка перед игрой после перегрузочных тренировок свидетельствовали о крайнем физическом и психическом напряжении. Так, у трех футболистов уже до игры регистрировалась фрагментация ядер, что обычно мы не наблюдали даже после максимальных нагрузок. Доли дегенеративных ядер в 4—5 раз, а ва-куолизированных — в 4 раза превышали контрольный уровень. Установлено, что перед соревнованиями возникают сдвиги в морфологическом и функциональном состоянии организма больше, чем перед тренировочными занятиями. Более ответственные соревнования вызывают и более значительные предстартовые изменения, чем менее ответственные. Учитывая, что под влиянием эмоционального напряжения в предстартовый период резко повышается концентрация катехоламинов в организме,
изменения в структуре ядер могут быть в определенной мере связаны с реакцией симпатоадреналовой системы (Виру А. А., 1977; Виру А. А., Кырге П. К, 1983; Вайсфельд И. К. и соавт., 1978; Разумов С. А., 1976). Высокий перегрузочный фон до игры сказался на характере цитологической реакции на нагрузку. Как видно из таблицы 3, после игры по сравнению с предстартовым периодом существенных изменений в содержании трех видов ядер не наблюдалось. После игры доля гетерохроматинизи-рованных и дегенеративных ядер увеличилась, хотя и не столь существенно. Фрагментация ядер определялась уже у семи футболистов. На второй день после отдыха фрагментированные ядра не встречались, существенно уменьшилось содержание вакуолизированных и разрушенных ядер.
Таким образом, цитологическая картина буккального мазка футболистов полностью соответствовала функциональному состоянию организма, и от ее характера
Таблица 4
Влияние нагрузок разной направленности на кариограммы футболистов
Обследование ядра с дисперсным хроматином ядра с глыбчатым хроматином Гетерохроматини-зированные ядра Вакуолизированные ядра Дегенеративные ядра
Группа 1 (бег)
До нагрузки 22,2±2,7 50,2±2,0 15,2±1,4 9,0±2,7 3,2±0,5
После 1 нагр. 14,6±2,7* 33,0±2,5* 29,8±3,5* 11,6±2,7* 12,2±3,3*
После 2 нагр. 11,0±2,5 25,0±2,5* 34,6±2,4* 14,8±2,7* 15,4±2,7
P1,2 <0,05 <0,01 <0,001 >0,1 <0,001
P1,3 <0,01 <0,001 <0,001 >0,1 <0,001
P2,3 >0,1 <0,05 <0,05 >0,1 >0,1
Группа 2 (удерживание мяча)
До нагрузки 23,5±2,2 50,5±1,7 16,4±3,0 6,3±1,4 3,0±0,5
После 1 нагр. 15,6±1,9* 48,3±1,3 24,3±2,3* 4,8±1,4 6,7±0,5*
После 2 нагр. 10,2±1,7* 42,7±1,6* 38,2±3,3* 7,6±1,5 10,1±2,1*
Р1,2 <0,05 >0,1 <0,05 >0,1 <0,05
Р1,3 <0,001 <0,05 <0,001 >0,1 <0,001
Р2,3 <0,05 <0,05 <0,01 >0,1 <0,05
Примечание: * - разница достоверна.
в предстартовый период зависело качество игры. При отсутствии резких патологических сдвигов в мазке в предстартовый период игра проходила с максимальной интенсивностью, и, как правило, заканчивалась победой.
Результаты цитологического анализа представлены в таблице 4.
Как видно из таблицы 4, у всех спортсменов после первой нагрузки отмечалась гетерохроматинизация ядер и увеличение доли разрушающихся ядер на фоне снижения процента ядер с дисперсным хроматином, у футболистов группы 1 дополнительно к вышеуказанным изменениям проявлялась вакуолизация ядер и резче выражались дегенеративные сдвиги по сравнению с группой 2.
Согласно нашим данным, реакция на физическую нагрузку была более выражена у футболистов группы 1 (бег). Учитывая, что у них вакуолизация и дегенерация ядер была выражена значительнее, можно заключить, что 12-минутный бег требовал большей мобилизации сил, чем удерживание мяча в течение того же времени. Следовательно, характер реакций организма зависит не только от величины нагрузки, но и от ее направленности. Нами замечено, что у футболистов обеих групп через 6 минут после нагрузки значительно уменьшается время реакции на свет и на звук (с 194,5±4,0 до 178,8±4,5 при Р<0,01), а критическая частота световых мельканий существенно не менялась (соответственно, 7,5±0,9 и 7,9±0,9 при Р>0,1). Через следующие 6 минут нагрузки эти показатели оставались на прежнем уровне. Полученные данные указывают на то, что цитологические реакции на нагрузку у спортсменов при анализе их функционального состояния являются более информативными, чем другие физиологические показатели.
Таким образом, после физических нагрузок разной интенсивности и направленности у футболистов наблюдаются адаптивные реакции, проявляющиеся в изменении конденсации хроматина.
Как показали ряд исследователей, деконденсация хроматина коррелирует с дерепрессией генов и проявляется активацией процессов белкового синтеза (Бердышев Г. Г., 1986; Протас А. Ф., 1985; Прокофьева-Бельговская А. А., 1986). Исходя из этого, нами проведено исследование содержания белка в клетках и предпринята попытка сравнительного анализа характера изменения этого показателя на фоне изменений структуры ядер при физической нагрузке.
Как показали наши исследования, в ядрах и цитоплазме буккальных клеток спортсменов-футболистов преобладали кислые белки. Наблюдалась широкая вариабельность по содержанию клеток с кислыми белками, в покое они составляют от 13% до 76%. Высокое содержание кислых белков выявлялось в 8,9±2,2% клеток. Низкое содержание кислых белков определялось в клетках в 42,8±6,5% в зоне ядра и в 16,4±4,2% в зоне цитоплазмы.
Содержание основных белков в клетках также варьировало в широких пределах: количество клеток с высоким их содержанием в ядре колебалось от 1% до 24% (6,2±2,7%), в цитоплазме — от 0 до 10%, а с малым содержанием — от 1% до 20% (4,7±2,3%) в ядре и от 0 до 4% — в цитоплазме.
После физических нагрузок резко активизируются процессы синтеза как кислых, так и основных белков, о чем свидетельствует увеличение в 2—3 раза ядер
с высоким содержанием белков (с 6,2±2,7% до 16,0±4,3% для основных и с 8,9±2,2% до 21,7±3,7% для кислых, Р<0,01). При этом увеличения содержания белков в цитоплазме не наблюдается. Под влиянием тренировочных нагрузок в цитоплазме клеток резко нарастает синтез как кислых, так и основных белков (Р<0,01), о чем свидетельствует увеличение доли клеток с основными белками в 7 раз, а с кислыми — в 4 раза. Согласно Ф. З. Меерсон (1968), двигательная деятельность активизирует синтез структурных белков клеток, что увеличивает функциональные возможности генетического аппарата клеток, совершенствует пластическое обеспечение и замещение структур при интенсивной деятельности органов. Сравнительный анализ уровней корреляции между видом ядер, содержанием белка в клетках и изменением конденсации ядер продемонстрировал, что эти показатели связаны положительной корреляционной зависимостью (7=0,8 при Р<0,01).
Наряду с изменением конденсации хроматина в ядре при нагрузках высокой интенсивности регистрируется вакуолизация ядер. Эти изменения наряду с накоплением белков в ядре могут свидетельствовать о нарушении процессов выведения продуктов синтеза из ядра.
Таким образом, у спортсменов при максимальных физических нагрузках наряду с изменением общего состояния организма наблюдаются изменения в цитологии буккального мазка, выражающиеся в деконденсации хроматина, вакуолизации и дегенерации ядер и активации белкового синтеза, с преимущественным накоплением белков в ядре. Путем усиленного и целенаправленного синтеза белков организм переходит от срочных адаптивных реакций в долговременную адаптацию (Ме-ерсон Ф. З., 1981).
В восстановительный период доля вакуолизирован-ных ядер уменьшается, а гетерохроматинизированных — нарастает на фоне снижения синтетической активности клеток. Чем выраженнее эта реакция у футболистов в период отдыха, тем эффективнее он работает на последующих тренировках. Высокое содержание дегенеративных ядер после отдыха свидетельствует о перетренировке и указывает на необходимость снижения нагрузок до окончательного восстановления физиологического состояния.
В заключение следует отметить, что использование цитологического анализа позволит не только оценить величину нагрузки спортсмена, но и индивидуализировать нагрузку, что позволит получить более высокие спортивные результаты.
Выводы
1. Эффективной оздоровительной тренировкой следует считать такую тренировку, когда после нагрузки в буккальных клетках регистрируется деконденсация хроматина с активацией синтетических процессов, с последующей конденсацией хроматина в период отдыха.
2. Резко выраженная вакуолизация ядер может быть сигналом перегрузок, а увеличение при этом доли дегенеративных ядер свидетельствуют о неадекватности нагрузки и требует либо уменьшения нагрузки, либо отдыха. При отсутствии изменений в кариограмме после нагрузки следует нагрузку увеличить.
3. По морфологии клеток слизистой щеки можно не только оценить адекватность нагрузки, но и индивидуализировать ее.