Налог на жару
Законы термодинамики и наш организм
Согласно законам термодинамики, наши тела — крайне неэффективные машины.
Все мы должны помнить первый и второй законы термодинамики, ведь именно они — виновники фундаментальных ограничений, возникающих в организме во время тренировок в жару.
Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только преобразована из одной формы в другую. Во время упражнений мышцы преобразуют химическую энергию — запасённый гликоген, жир, «экзогенные» (поступающие с пищей) углеводы — в механическую работу и тепло. Но это распределение крайне неэффективно, скелетные мышцы имеют примерно 20–25% механической эффективности. Это означает, что на каждую единицу потреблённой химической энергии только около четверти превращается в полезную работу, продвижение вперёд, кручение педалей или сам процесс бега, а вот оставшиеся 75–80% становятся теплом.
Второй закон термодинамики подтверждает это: ни одно преобразование энергии не является на 100% эффективным. Каждое преобразование приводит к потерям энергии, и в биологических системах эти потери в подавляющем большинстве случаев являются тепловыми. Мышцы — это термодинамические двигатели, работающие по тем же законам, что и автомобильный двигатель или электростанция. Большая часть потребляемой ими энергии в конечном итоге превращается в тепло, которое необходимо рассеивать.
Пример: у каждого велогонщика есть измеритель мощности, но фактически он измеряет только 20–25%, «полезную» часть, механическую мощность. А вот остальные 75–80% — это некий невидимый налог, который тело платит за каждый оборот педалей, каждый шаг или каждый гребок в бассейне. В прохладных условиях этот налог вполне управляем, все системы охлаждения тела справляются с ним без особых усилий, и про него даже не задумываются. В жару всё меняется – этот тепловой налог зачастую становится главной проблемой во время тренировки или гонки.
При сокращении мышц только около 20-25% затраченной энергии преобразуется в реальную механическую работу. Остальные 75-80% выделяются в виде метаболического тепла. Именно поэтому физические упражнения неизменно повышают температуру тела. При лёгком темпе и в прохладных/сухих условиях тепловая нагрузка управляема. При более быстром темпе или в жарких/влажных условиях выработка метаболического тепла превышает способность организма его отводить.
Пример с цифрами
Абстрактная физика — это одно, а вот цифры — совсем другое, и вот наглядный (пусть и выдуманный) пример.
Есть спортсмен весом 70 кг, развивающий механическую мощность 200 Вт (умеренная велонагрузка). При 20% механической эффективности нашего организма, общий метаболический расход составляет приблизительно 1000 Вт — это 1000 джоулей химической энергии, потребляемой в секунду. Из них 200 Вт уходит на продвижение атлета вперед, а оставшиеся 800 Вт превращаются в тепло. Для сравнения, это количество примерно эквивалентно небольшому обогревателю, непрерывно работающему внутри тела. Что произойдет, если тело не сможет рассеять это тепло?
Это наихудший и крайне маловероятный сценарий, но он показывает масштаб проблемы.
800 Дж/с × 3600 секунд = 2 880 000 Дж = 2880 кДж тепла, производимого в час.
Чтобы перевести эту цифру в понятное повышение температуры тела, нужна удельная теплоемкость человеческого тела — количество энергии, необходимое для повышения температуры одного килограмма массы тела на один градус Цельсия. В учебниках обычно приводится значение 3.47 кДж/кг/°C. Но результаты эксперимента, недавно опубликованные в журнале Temperature, показали, что фактическое значение ~2.98 кДж/кг/°C. На долю мышц приходится примерно 47% от общей удельной теплоемкости тела, а на долю жира и кожи — приблизительно 24%.
Используя новое значение, получаем: 2880 кДж ÷ (70 кг × 2.98 кДж/кг/°C) = 13.8°C в час.
Подобное повышение температуры в реальности грозило бы неминуемой катастрофой, но к счастью, подобного не происходит из-за охлаждения тела.
Более реалистичный сценарий — предположим, что системы охлаждения могут рассеивать до 90% вырабатываемого тепла. Но 10% от 800 Вт — это 80 Вт тепла, которое будет накапливаться.
80 Вт × 3600 с ÷ (70 кг × 2.98 кДж/кг/°C) ~ 1.4°C в час повышения температуры тела.
Начиная с нашей базовой температуры тела в состоянии покоя — 37°C, атлет может достигнуть 39.5°C — опасной зоны, где начинают ухудшаться мозговые функции, а центральные регуляторные механизмы начинают снижать свою производительность, и всё это менее, чем за два часа.
На этот факт стоит обратить внимание, особенно если у вас запланирован летний марафон или триатлон, где температура, а не тренированность может стать основным ограничивающим фактором.
Защита от перегревания
Организм защищается от повышения температуры тела до тех пор, пока это возможно. Фактически, температура тела является одной из наиболее строго регулируемых переменных в физиологии человека.
В организме существует четыре пути теплопередачи: излучение, конвекция, проводимость (кондукция) и испарение. В прохладных условиях они работают согласованно, без напряжения, а в жару они могут выйти из строя, один за другим. Забегая вперед — на испарение приходится примерно 80% общей потери тепла во время упражнений, и это единственный механизм, который продолжает работать, когда температура воздуха превышает температуру кожи.
Излучение (~5–10% в жарких условиях)
Электромагнитная передача тепла от кожи к окружающим объектам и поверхностям, регулируется температурным градиентом между поверхностью кожи (~33–35°C) и окружающей средой. В умеренных условиях излучение вносит существенный вклад в рассеивание тепла, наше тело теплее окружающей среды, поэтому энергия «выходит наружу». Но когда температура окружающей среды превышает температуру кожи, излучение меняет направление, и уже наше тело получает тепло из окружающей среды. Например, во время старта при температуре 40°C воздух, дорожное покрытие и окружающие здания буквально излучают тепло в атлета, и путь охлаждения превращается в путь нагревания.
Теплопроводность/кондукция (~2–3%)
Передача тепла при прямом контакте. Минимальна во время бега или велотренировки, поскольку лишь небольшая часть тела соприкасается с более холодной поверхностью. Включается, когда вы поливаете себя водой или прижимаете лед к коже, но в целом также играет незначительную роль. Исключения составляют плавание, погружение в холодную воду для предварительного охлаждения или восстановления, где теплопроводность становится доминирующим механизмом.
Движение воздуха отводит тепло от поверхности кожи. Полезно на велотренировке: самопроизвольно создаваемый воздушный поток со скоростью 35–40 км/ч обеспечивает значительное конвективное охлаждение, что является одной из причин, почему велоэтап в триатлоне часто более управляем, чем беговой, особенно в жару. Во время бега скорость ветра относительно тела намного ниже, и конвективное охлаждение не играет такой значимой роли. И, как и в случае с излучением, конвекция меняет направление, когда температура воздуха превышает температуру кожи. Горячий ветер вас не охлаждает, он буквально поджаривает тело.
Испарение (~70–80%, а часто и больше)
Это доминирующий механизм, именно он имеет наибольшее значение, когда другие пути уже не работают. Каждый литр пота, успешно испаряющийся с кожи, отводит приблизительно 2426 кДж тепла, это так называемая скрытая теплота испарения. Это большое количество охлаждающей энергии, достаточное для компенсации ~50 минут выработки метаболического тепла при умеренной интенсивности. Когда окружающая среда достаточно жаркая, а излучение и конвекция уже не работают, испарение — это все, что остается для охлаждения.
Но здесь есть важный нюанс: испаряющийся пот отводит примерно 2.4 кДж на грамм, а пот, стекающий с тела и падающий на землю, отводит ~0.1–0.15 кДж на грамм, а это примерно 20-кратная разница в эффективности охлаждения. Пот скапливающийся на земле под вами означает, что охлаждающая способность организма расходуется впустую.
Проблема влажности
Испарение зависит от градиента давления пара между кожей и окружающим воздухом. При высокой влажности воздух уже насыщен водяным паром, и этот градиент уменьшается. При 100% относительной влажности испарение практически прекращается, тело продолжает вырабатывать пот, потовые железы не знают, что воздух не может принять влагу, но вырабатываемый пот не может испариться, он просто капает, почти не унося с собой тепла.
Вот почему 35°C и 30% влажности кажутся приемлемыми, а 35°C и 80% влажности опасны. Температура показывает состояние окружающей среды, а влажность показывает, может ли система охлаждения функционировать.
Как это работает в разных условиях?
Прохладно, сухо (15°C, 40% относительной влажности): Все пути теплоотведения работают нормально. Излучение и конвекция вносят значительный вклад. Организм легко поддерживает тепловой баланс. Перегрев не является проблемой. Это условия, где эффективность определяется не терморегуляцией, а тренированностью.
Жарко, сухо (40°C, 20% относительной влажности): Излучение и конвекция теперь они являются источниками притока тепла, но испарение всё ещё чрезвычайно эффективно. Именно за счёт потоотделения организм может справляться с нагрузкой, при условии, что потребление жидкости соответствует потерям с потом.
Жарко, влажно (35°C, 70% относительной влажности): Излучение и конвекция почти не играют роли, а испарение сильно подавлено. Именно в этих условиях организм вырабатывает тепло, но его способность отводить это тепло резко снижена. Температура тела начинает повышаться.
Экстремально (40°C, 80% относительной влажности): Это условия, в которых человеческий организм не может поддерживать тепловой баланс даже во время умеренных физических нагрузок. Производительность не просто снижается, продолжение тренировок становится рискованным с медицинской точки зрения.
Как сердечно-сосудистая система пытается помочь
После выработки тепла сердечно-сосудистой системе приходится решать сложную логистическую задачу в режиме реального времени.
Работающие мышцы нуждаются в кровотоке для двух целей: доставки кислорода и удаления продуктов метаболизма. В то же время горячая кровь из этих мышц должна достигнуть кожи, чтобы вырабатываемое тепло могло передаваться в окружающую среду. В прохладных условиях эти потребности практически не противоречат друг другу, а вот в жару они конкурируют напрямую.
Для удовлетворения этих потребностей организм вносит две корректировки:
- Кровь активно перенаправляется от областей, которые могут нормально переносить снижение кровотока — кишечник, печень и почки — к коже, где она жизненно необходима для охлаждения.
- Поскольку объем крови уменьшается из-за потоотделения, и больше крови скапливается на периферии для охлаждения, меньше крови возвращается к сердцу. Когда сердце перекачивает меньше крови за один удар, частота сердечных сокращений компенсаторно увеличивается.
В совокупности все эти факторы приводят к явлению, известному как сердечно-сосудистый дрейф. Во время длительных физических нагрузок в жару ЧСС постепенно увеличивается, даже при фиксированной интенсивности. Это отличается от того, что наблюдается в прохладных условиях. В жару ЧСС будет значимо выше при поддержании определенного темпа, по сравнению с прохладной температурой.
Почему организм выходит из строя в жару
Описанные выше изменения снижают приток крови к скелетным мышцам, а значит и доставку кислорода. В итоге, тот темп, который был комфортен в прохладных условиях, теперь приближается к более тяжелому.
Центральная нервная система также дает сбой. Одним из последствий повышения температуры (гипертермии), вызванной физическими нагрузками, является центральная усталость, которая снижает способность к активации мышц. Сигнал от мозга к мышцам ослабевает, и мышцы начинают работать хуже
Исследование 2001 года подтвердило эти наблюдения. Авторы протестировали велогонщиков в прохладных (18°C) и жарких (40°C) условиях. При тренировках в жару спортсмены не теряли работоспособность из-за истощения мышц, которые по-прежнему были способны развивать силу. Снизилась способность атлетов произвольно активировать эти мышцы, причем снижение было почти на 30% в жарких условиях по сравнению с прохладными.
Насколько сильно жара снижает результаты?
Жара влияет на результаты бегунов пропорционально как интенсивности, так и продолжительности воздействия. В исследовании 2007 года были получены конкретные количественные данные, подтверждающие ощущения бегунов в жаркую погоду. Исследователи проанализировали результаты крупных марафонов за 40 лет и сопоставили их с показателем WBGT (температура по влажному термометру с учетом солнечного воздействия) — комплексным индексом, учитывающим температуру воздуха, влажность и тепловое излучение солнца.
Выявленная закономерность была вполне очевидной: по мере повышения температуры результаты ухудшались. Элитные бегуны преодолевали дистанцию с отставанием в 1.7% от рекорда трассы в прохладную погоду и с отставанием в 4.5%, когда показатель WBGT достигал 20–25°C. Для марафонца с результатом 2:10 это означает потерю шести минут исключительно из-за жары. У бегунов, финиширующих с более низкими результатами, этот эффект был еще более выраженным: спортсмены, преодолевающие дистанцию примерно за три часа, в самых жарких условиях замедлялись почти на 8%, что составляет около 14 минут.
Данные по марафону впечатляют, однако они не дают полного представления о том, как именно жара влияет на результат в зависимости от длины дистанции. В исследовании 2014 года были проанализированы выступления элитных атлетов на семи чемпионатах мира (с 1999 по 2011 год), а результаты, показанные в жаркую погоду (выше 25°C), сравнивались с результатами, достигнутыми в более прохладных, умеренных условиях. Выявленная закономерность также оказалась очевидной: чем длиннее дистанция, тем сильнее было негативное влияние жары. Вот в спринтерских дисциплинах результаты в жару, напротив, были даже немного лучше, на средних дистанциях влияние жары практически отсутствовало. Однако, на дистанциях более 5000 метров наблюдалось устойчивое снижение результатов, причем марафон продемонстрировал наиболее значимое падение показателей: и у мужчин, и у женщин время прохождения дистанции в жару увеличивалось примерно на 3%.
Индивидуальная переносимость жары
Переносимость жары в значительной степени индивидуальна. Для иллюстрации этого ниже приведены данные, собранные у профессиональных бегунов во время 35-минутного забега в термокамере при температуре 38°C и влажности 40%. Каждый спортсмен предварительно проглотил специальную капсулу, измеряющую температуру тела
За 35 минут все спортсмены значимо нагрелись, но скорость и величина повышения температуры существенно различались. Как только температура тела приближается к 40°C, вероятны серьезные ухудшения результатов, но некоторые атлеты работали гораздо ближе к этому порогу, чем другие.
Одним из главных факторов, определяющих индивидуальные различия, является соотношение площади поверхности тела к его массе. Более крупный спортсмен производит больше метаболического тепла в абсолютном выражении при любой заданной скорости, потому что больше тканей выполняет работу, и у него пропорционально меньше поверхности кожи, доступной для охлаждения. Масса тела увеличивается быстрее, чем площадь поверхности, что дает преимущество более маленьким бегунам в жару.
Считается, что это одна из причин доминирования восточноафриканских бегунов на дистанциях, особенно в жаркую погоду. Население, проживающее в жарком климате, как правило, высокое и худое, с более длинными и тонкими конечностями, что увеличивает площадь поверхности тела относительно массы и улучшает рассеивание тепла. Население, эволюционировавшее в холодном климате, как правило, имеет более компактное телосложение, что помогает сохранять тепло.
Однако размер тела не является предопределением. Физическая подготовка важна также, как и преднамеренное воздействие высоких температур. Оба фактора поддаются коррекции.
Тепловая акклиматизация
У спортсменов на выносливость акклиматизация к жаре обычно происходит быстро и интенсивно. Примечательно, что 75-80% адаптации организма к жаре могут произойти в течение первых семи дней пребывания в жарких условиях. Хотя для проявления всех преимуществ может потребоваться две недели, но организм практически сразу же вносит ряд корректировок.
Объем плазмы: Одна из первых адаптаций — быстрое увеличение объема плазмы крови. Эта дополнительная жидкость является огромным преимуществом, поскольку улучшает стабильность работы сердечно-сосудистой системы, обеспечивая сердцу больше жидкости для работы, поскольку оно справляется с конкурирующими задачами: доставкой кислорода к мышцам и перекачиванием крови к коже для охлаждения. Больший объем плазмы также обеспечивает больший запас жидкости для испарительного охлаждения (потоотделения).
Частота сердечных сокращений: Благодаря увеличению объема плазмы и связанному с этим увеличению ударного объема, ЧСС при заданной интенсивности упражнений снижается. Это означает, что тот же темп становится менее напряженным для сердечно-сосудистой системы.
Температура тела: Адаптация к жаре снижает как температуру тела в состоянии покоя, так и температуру тела во время тренировок. Более низкий базовый уровень обеспечивает больший запас по температуре до того момента, когда производительность начнет снижаться.
Скорость потоотделения: Улучшенное потоотделение считается одним из наиболее важных факторов акклиматизации к жаре. Благодаря адаптации атлет начинает потеть раньше и при более низкой температуре тела. Общая скорость потоотделения увеличивается на 20-30%, и потовые железы адаптируются к задержке большего количества электролитов, в результате чего образуется более разбавленный пот, который легче испаряется, охлаждая кожу. Пот буквально «разжижается» – потеря натрия снижается на 30–50%, что снижает риск развития тепловых судорог. Именно поэтому потребление соли особенно важно, когда организм еще не привык к жаре. Если вы соревнуетесь в первые жаркие дни, будьте осторожны и помните про потребление электролитов.
Сдвиги пороговых значений температуры ядра тела — позволяет переносить более высокие температуры окружающей среды.
Улучшается метаболическая эффективность – снижается скорость утилизации гликогена, снижается тяжесть воспринимаемого усилия.
Поскольку объем плазмы (жидкой части крови) увеличивается намного быстрее, чем количество эритроцитов, кровь временно становится «жиже». Это критический сигнал: почки фиксируют падение гематокрита и запускают высвобождение эритропоэтина (ЭПО) для восстановления баланса жидкой части и форменных элементов крови.
После 14–28 дня, если атлет поддерживает тепловой стимул, организм переходит от «выживания» к «оптимизации». В течение нескольких недель и многократного воздействия теплового стресса, выработка эритропоэтина увеличивает массу гемоглобина, что обусловлено увеличением объема плазмы и соответствующим снижением гематокрита.
Данные на элитных велогонщиках показывают, что длительный режим жары может увеличить общую массу гемоглобина примерно на 4.8% — прирост, традиционно связанный с высотными лагерями. Это улучшает общую способность переносить кислород, обеспечивая «минимальный уровень» производительности, который останется с атлетом даже после возвращения в более прохладный климат.
Помимо увеличения объема плазмы, повторное тепловое воздействие инициирует надежную внутриклеточную защитную реакцию. Метаанализ исследований адаптации человека к теплу показал, что структурированное тепловое воздействие в течение нескольких дней значительно увеличивает внутриклеточную активность HSP70, который стабилизируя белки, предотвращая их неправильное сворачивание, тем самым поддерживая восстановление клеток во время теплового стресса. Важно отметить, что величина активации HSP70 связана с продолжительностью периода акклиматизации, что подтверждает тот факт, что адаптации накапливаются. Эта клеточная «предварительная подготовка», вероятно, способствует общепризнанному снижению тепловой нагрузки и воспринимаемого напряжения, наблюдаемому после первой недели акклиматизации к жаре.
Как эффективно адаптироваться к жаре?
К сожалению, единственный нормальный способ достижения тепловой адаптации — тренировки в условиях, максимально приближенных к условиям гонки. Необходимо помнить о том, что стоит временно снизить интенсивность тренировок.
- Активные тренировки: 90–120 мин при 50–60% VO₂max в жаркое время, 4–5 дней в неделю. Фокус на гипертермии: поддержание температуры тела ~38,5 °C в течение 60–90 мин – максимизирует адаптацию.
- Стратегия пассивного воздействия: сауна или горячая ванна после тренировки (80–100 °C, 20–30 мин) отлично подходят как самостоятельно, так и в качестве дополнения. Особенно потому, что это позволяет поддерживать «нормальный» режим тренировок. Пассивное тепло ускоряет расширение плазмы и запуск адаптаций без физической нагрузки.
- Активные + пассивные тренировки: во время тренировки можно повысить температуру тела с помощью дополнительной одежды или теплового стресса окружающей среды, а затем поддерживать её на высоком уровне с помощью пассивного обогрева (горячая ванна или сауна).
К сожалению, «деадаптация» также происходит быстро, в течение 2–4 недель. Но достигнутые результаты можно поддерживать, проводя 1–2 тепловых тренировки в неделю.