Maszyna do biegania. Jak działa ciało biegacza?

Kiedy dobrze się zastanowisz, odkryjesz, że ciało biegacza nie różni się wiele od maszyny. Jedno i drugie potrzebuje paliwa, wspólną cechą jest też to, że szuka się sposobów na poprawę ich wytrzymałości, szybkości i odporności. Ciało i automat dysponują własnymi systemami schładzania, nie mówiąc już o skomplikowanych systemach hydraulicznych i elektrycznych.

Różnice zacierają się również dlatego, że biegacze starają się złamać kolejne bariery i jeszcze bardziej upodobnić do swoich stalowych odpowiedników. Właśnie dlatego RW zdecydował się zebrać dostępne informacje na temat zdumiewającej maszynerii, którą dysponuje człowiek.

Usain Bolt jak superszybkie Ferrari

Mierzący 193 cm gigant z Jamajki stał się najszybszym biegaczem w historii ludzkości, bijąc z szokującą łatwością rekord świata na 100 metrów. Glen Mills, jego trener przygotowania fizycznego, zadeklarował, że rekord 9,58 s może zostać poprawiony nawet do 9,52 s, co oznacza, że między 60 a 80 metrem biegu sportowiec rozwija niewiarygodną prędkość 44,72 km/h.

To zaś oznacza przyspieszenie porównywalne do tego jakie rozwija pojazd uderzający o ścianę w trakcie testów bezpieczeństwa. I nie jest to ostatnie słowo biegaczy - zdaniem naukowców, ludzki potencjał pozwala na więcej.

Mark Denny, maratończyk i naukowiec z Uniwersytetu Stanforda, uważa, że człowiek może pokonać dystans 100 metrów w czasie 9,48 s. Jego pochodząca z 2008 roku praca "Limits to Running Speed In Dogs, Horses nad Humans" bierze pod uwagę postępy czynione przez psy, konie i ludzi od XIX wieku, i porównuje krzywe wzrostu. Wynika z nich, że osiągnięcia męskich sprinterów nie weszły jeszcze w fazę stagnacji, podczas gdy w przypadku kobiet nie było większych zmian od lat 70. XX wieku.

Pomimo to specjalista przewiduje, że uda im się złamać rekord 10,49 s należący do Florence Griffith-Joyner (z 1988 roku) i zejść nawet do 10,19 s.

Przypadek biegaczy długodystansowych również jest zachęcający, biorąc pod uwagę, że rekord Dennisa Kimetto (2:02:57 w maratonie w Berlinie) może zostać poprawiony nawet o 2-3 minuty (czytaj więcej: Maraton poniżej 2 godzin. Kto i gdzie złamie tę granicę?). Kobiety też mają potencjał, by życiowe osiągnięcie Pauli Radcliffe (2:15:25) można było teoretycznie poprawić do 2:12:41 .

Mityczny biegacz idealny

Zrównoważona dieta, która zaspokaja potrzeby biegaczy, i specjalistyczny trening dopasowany do celów są oczywiście istotne dla dobrych wyników, ale badania pokazują, że 50% potencjału zależy od genów.

W artykule "How Genes Limit Our Physical Performance" ("Jak geny ograniczają nasze fizyczne możliwości"), opublikowanym w piśmie "The Sport and Excersize Scientist", dr Alun Williams ocenia, że w utalentowanych osobach łączą się trzy cechy: odpowiednie geny, stymulacja środowiska i połączenie informacji genetycznej, która pozwala wyzwolić ich potencjał. Jeden biegacz może łatwiej budować masę mięśniową niż inny, bo ma gen NR3C1. Może też wyróżniać się spośród reszty dzięki genowi ACE, który pozwoli mu osiągnąć większą wytrzymałość. Jeszcze lepiej, jeżeli połączymy go z genem BDKRB2 - powstanie sportowiec mający wielki potencjał. Nadczłowiek?

Nie. Z algorytmu, który łączy 23 genotypy idealne do stworzenia perfekcyjnego sportowca, wynika, że tylko jedna na 200 tysięcy osób może charakteryzować się taką kombinacją. Jakby tego było mało, taka osoba musiałaby oprócz wrodzonych predyspozycji mieć sposobność rozwijać się sportowo w idealnych warunkach.

Wytrzymałościowiec czy pędziwiatr?

Nieważne, czy jesteś uzależniony od prędkości, wytrzymałości, czy też najbardziej odpowiadają Ci szlaki przełajowe. Bieganie to tak pojemna dyscyplina, że na pewno znajdziesz coś dla siebie. Ideałem byłoby jednak znaleźć dystans zgodny z Twoimi możliwościami, unikając tym samym wysyłania bolidu Formuły 1 w teren albo poddawania Hummera próbie prędkości.

W połowie ubiegłego wieku naukowcy rozpoczęli badania cech ciał sportowców. Klasyfikacja została opracowana przez fizjologa Williama Sheldona, który wychodząc od analizy 4 tysięcy zdjęć sportowców uniwersyteckich, określił trzy standardy oparte na cechach charakteru i budowie ciała.

Pierwszy to ektomorficy, czyli jednostki inteligentne, szczupłe, o szybkim metabolizmie i niewielkiej tkance tłuszczowej. Drugi to mezomorficy, czyli ludzie silni, mocno umięśnieni, bardzo witalni i skorzy do współzawodnictwa. Ostatnim są endomorficy, charakteryzujący się krępą budową ciała, wolnym metabolizmem i powolnymi reakcjami.

W pierwszej grupie najłatwiej byłoby zidentyfikować biegaczy długodystansowych, podczas gdy drugi profil obejmowałby raczej sprinterów. Z biegiem czasu ta teoria została jednak poddana krytyce, zwłaszcza ze względu na fakt, że statystyczna populacja posiada cechy różnych grup.

W innym badaniu, przeprowadzonym na uniwersytecie w Zagrzebiu, zbadano 133 studentów, porównując siedem zmiennych siłowych z dwunastoma cechami morfologicznymi, pośród których decydującymi były rozmiary szkieletu, objętość ciała i tkanka tłuszczowa podskórna. Wyniki pokazały, że ci, którzy posiadali drobniejszy szkielet i mniej tkanki tłuszczowej, dysponowali większą siłą względną, dłuższym krokiem i większą szybkością.

Natomiast ci, których szkielet był długi, charakteryzowali się krótszym krokiem i większym kontaktem stopy z podłożem. Jednocześnie odkryto, że wartości takie, jak długość i częstotliwość kroku, były wartościami przeciwstawnymi podczas analizy biegów sprinterskich. Oznacza to, że jeśli pierwszy czynnik miał pozytywny wpływ u osobników o szkielecie dużym, to drugi wpływał negatywnie.

Jednak grupa, która zdecydowanie najbardziej zwraca na siebie uwagę, to Kenijczycy. Zgodnie ze statystykami IAAF zajmują oni najlepsze miejsca w biegach, w których uczestniczą, od 800 metrów aż po maraton. Ten fakt posłużył jako punkt wyjścia dla badaczy z Wydziału Kinezjologii i Psychologii Uniwersytetu El Paso, którzy przeprowadzili badania biomechaniczne 6 biegaczy kenijskich.

Naukowcy odkryli, że oprócz niskiej masy ciała i tkanki tłuszczowej, przy dowolnej prędkości, z jaką biegli, kontakt prawej stopy z podłożem był mniejszy niż u innych biegaczy. Prowadzący badanie Pui W. Kong i Hendrik Heer wykazali, że siła izometryczna Kenijczyków była mniejsza niż u innych nacji, ale niska masa mięśniowa stanowiła zaletę, jeśli chodzi o inercję i mniejsze zmęczenie mięśniowe.

Inną znaczącą pracą była ta zrealizowana przez Roberta A. Scotta i Yannis P. Pitsiladis z uniwersytetu w Glasgow, bo krytykowała rozpowszechnione myślenie, że sportowiec może mieć przewagę nad innymi tylko z powodu koloru skóry. Przebadali oni dzieci w Nandi (region w Kenii, w którym rodzi się szczególnie wielu długodystansowców) i odkryli, że te, które na co dzień przemieszczały się biegiem, miały o 30% wyższy poziom VO2max. Na ich wyniki miało również wpływ to, że żyły na dużej wysokości. To badanie w pewnym sensie obala mit, że biegacze afrykańscy posiadają wyjątkowe uwarunkowania genetyczne.

Podręcznik użytkownika ciała biegacza

Ruch jest celem istnienia ludzkiego ciała. W jego wnętrzu tysiące struktur harmonijnie współpracują ze sobą, żeby pokonać siłę przyciągania, która trzyma nas zakotwiczonych do podłoża. Zgodnie z książką "The Exercise-Health Connection" podczas aktywności aerobowych nasz oddech trzykrotnie przyspiesza, serce pompuje sześć razy więcej krwi, a mięśnie zużywają dziesięć razy więcej tlenu. To, nie licząc wielu innych reakcji, które zachodzą w mózgu i w reszcie organizmu, czyni nas gotowymi do zwiększenia prędkości albo dystansu. Przedstawiamy podstawowy przewodnik po funkcjonowaniu i trybach maszyny, która utrzymuje Cię w ruchu.

Silnik, czyli serce

Pewnie potrafisz kontrolować oddech albo ruch nóg, ale miałbyś problem, próbując regulować rytm serca. Jest ono mięśniem mimowolnym, co czyni je wyjątkowym. Możesz jednak wpływać na jego wydolność poprzez wysiłek fizyczny.

Serce sportowca w stanie spoczynku bije nawet 10-30 razy mniej na minutę niż serce osoby, która nie ćwiczy. Jego rozmiar i wydajność pompowania krwi wzrasta - standardowe serce tłoczy 60 mililitrów krwi na sekundę, a serce atlety potrafi przepompować nawet 100 ml.

Większość ludzi ma w organizmie ok. 5 litrów krwi, zawodowi biegacze nawet 6 l. Odróżnia ich też maksymalny pułap tlenowy VO2, czyli zdolność pochłaniania tlenu przez organizm - wyższa o 10-20% u osób, które trenują.

Badania prowadzone przez dr. Louisa J. Ignarro, laureata Nagrody Nobla z medycyny, udowodniły też, że organizmy sportowców produkują więcej tlenku azotu, który świetnie wpływa na pracę układu krwionośnego.

"Wszystko zaczęło się od badania nitrogliceryny, która jest lekarstwem działającym jak środek rozkurczowy. Zaobserwowaliśmy, że tlenek azotu ma te same cechy, które pomagają w zapobieganiu zawałom i wysokiemu ciśnieniu krwi - mówi dr Ignarro, który w 1996 roku odkrył, że ciało ludzkie samo wytwarza tę substancję. - Udowodniono, że zdrowa dieta poprawia produkcję tlenku azotu, a ten zapobiega chorobom układu krwionośnego".

Produkcję tlenku azotu wspierają ryby, świeże owoce, warzywa i orzechy. "Drugim, bardziej istotnym, czynnikiem pobudzającym jego produkcję jest aktywność fizyczna" - mówi dr Ignarro.

O najważniejszym z mięśni biegacza obszernie napisaliśmy również w tych artykułach: 

• Serce biegacza: Twoje centrum zasilania 
• Zdrowe serce a bieganie – co musisz wiedzieć? 
• Serce biegacza: Jak biegać, by go nie złamać?

Klimatyzacja, czyli płuca

Kiedy zaczynasz poruszać nogami, rośnie nie tylko tętno, lecz również częstotliwość oddechu. Mięśnie, pracując, potrzebują więcej tlenu i trzeba im go dostarczyć, dlatego mocniej pracują i płuca, i serce. Powietrze zawiera zaledwie 21% tlenu, a w spoczynku ciało potrzebuje około 250 ml tego gazu, żeby przeżyć. W tym celu płuca muszą zdobyć około 6 litrów powietrza na minutę, podczas gdy w czasie intensywnego wysiłku, czyli np. podczas biegu, do płuc dostaje się od 100 do 200 litrów powietrza na minutę. Przekładając to na oddechy, odpowiadałoby to około 55 albo 60 cyklom.

Porady, jak usprawnić pracę swoich płuc, znajdziesz w tych artykułach:

• Jak oddychać prawidłowo podczas biegania?
• Szkoła oddychania w czasie biegu. Dostosuj oddech do kroków
• Płuca biegacza. Ćwiczenia wzmacniające mięśnie oddechowe
• Zwiększ pojemność płuc. Trening oddechowy biegacza

Komputer, czyli mózg

Mózg to zdecydowanie najważniejsza część ciała sportowca, ponieważ oprócz aspektów czysto fizjologicznych również te psychologiczne odgrywają w sporcie ogromną rolę.  

"Pierwsze udokumentowane projekty z psychologii sportowej pochodzą mniej więcej z roku 1920, głównie z Rosji, Stanów Zjednoczonych i Niemiec" – mówi Lucero Arroyo, specjalistka psychologii sportu. Oficjalnie ta dziedzina nauki rodzi się w 1965 roku, w czasie pierwszego poświęconego jej międzynarodowego kongresu.

Na początku jej obszarem badań były zdolności motoryczne, osobowość, motywacja i emocje. Później materia badań zmienia się w celu zoptymalizowania zdolności mentalnych sportowców i zdefiniowania zmiennych psychologicznych, które wpływają na wyniki sportowe. Odżywianie i trening są aktualnie uważane za kluczowe w poprawie wyników. Jednak wielu zapomina, że sport to nie tylko aktywność fizyczna, ale też czynność intelektualna.

"Sportowcy muszą mieć poczucie kontroli nad różnymi aspektami swojego życia. Na tym budują podstawę zaufania do siebie, z którego czerpią siłę psychiczną. Jej brak rodzi frustrację i osłabia tak ważną dla sportowców motywację" - mówi Arroyo.  

Arroyo przypomina też o znaczeniu czynników zewnętrznych, które oddziałują na sportowców. Stawiają oni czoła różnego rodzaju stresogennym doświadczeniom, takim jak: wymagania treningowe, współzawodnictwo, kontuzje czy presja wyniku. Uporanie się z nimi to klucz do sukcesu.

Jak wzmocnić swoje siły mentalne, zwiększyć odporność na stres i gotowość do wyzwań? Przeczytaj to:

• Trening mentalny biegacza: naucz się wygrywać
• Trening mentalny biegacza: jak ćwiczyć silną wolę?
• Silna psychika: 4 sposoby na lepsze bieganie
• Trening mentalny: jak być silnym psychicznie biegaczem?

Przełożenie napędu, czyli mięśnie

W końcu dotarliśmy do korzeni zjawiska ruchu, możliwego dzięki setkom kości, wiązań i mięśni, sprawiających, że każdy kręgowiec może przemieścić się po powierzchni tej planety z punktu A do punktu B. Niemniej jednak istnieją różnice między strukturą każdej osoby, które pozwalają być biegaczem szybszym lub wolniejszym.

Istnieją dwa typy włókien mięśniowych: wolno- (typ I) oraz szybkokurczliwe (typ II). Te pierwsze są odporne na zmęczenie i utlenianie, a ich średnica i zużycie glikogenu są mniejsze. To właśnie te włókna pracują podczas biegów długodystansowych. Włókna drugiej grupy dzielą się na typ IIA (używane na dystansach krótkich, ale mało intensywnych) oraz IIB o dużej średnicy i mocy (przeznaczone do wysiłku szybkiego i bardzo intensywnego, ale jednocześnie poddające się łatwo zmęczeniu). Każda struktura mięśniowa ludzkiego ciała jest w różnych proporcjach złożona z tych typów.

Rodzaj treningu oraz informacja genetyczna zapisana w ciele każdego biegacza determinuje potencjał podczas prób szybkościowych, średnio- oraz długodystansowych.

Dodatki, czyli chemia

Koła, silnik, amortyzatory i systemy elektroniczne w samochodzie są niezbędne do jego funkcjonowania. Ale wszystko to zredukowałoby się do zbioru kawałków metalu, gdyby nie mogły działać związki chemiczne, które aktywują ich pracę.

Jeśli chodzi o ludzi, benzynę stanowiłaby energia, którą pozyskujemy z węglowodanów. Odpowiednikiem przycisków na desce rozdzielczej, aktywujących różne funkcje, byłyby hormony, które wywołują podstawowe reakcje, takie jak pragnienie, głód czy sen.

Intensywna aktywność fizyczna, np. bieg w maratonie, wiąże się z intensywnym poceniem. Razem z potem traci się oprócz wody również elektrolity, takie jak sód czy potas. Wtedy krew zagęszcza się bardziej niż zwykle i dochodzi do odwodnienia. Żeby je opóźnić, organizm produkuje w podwzgórzu hormon zwany antydiuretyną (ADH), który hamuje produkcję moczu celem uniknięcia dalszej utraty płynów. Zbyt gęsta krew może bowiem spowodować złe funkcjonowanie neuronów, a nawet śmierć komórkową.

Dlatego choćby minimalne zmiany w koncentracji krwi mają odzwierciedlenie w postaci pragnienia jako mechanizmu obronnego przeciwko odwodnieniu.

Jednak pragnienie jest tylko jedną z wielu reakcji spowodowanych przez hormony. Mogą one powodować również uczucie przyjemności. Podczas treningu fizycznego w gruczołach nadnercza wydzielają się neuroprzekaźniki: adrenalina, endorfiny i kortyzol. To one sprawiają, że czujemy zadowolenie. Hormony te mogą zacząć wydzielać się nawet już podczas przygotowań do ćwiczeń.

Biegacz prześwietlony

Tkanka tłuszczowa. Otyłość, wysokie ciśnienie oraz poziom cholesterolu i trójglicerydów we krwi, czyli czynniki syndromu metabolicznego, wiążą się z insulinoopornością. U cierpiących na nią ludzi insulina nie spełnia swojej roli, czyli nie umożliwia dostarczenia energii do mięśni. Potrzeba naprawdę końskiej dawki tego hormonu, żeby mechanizm, który pozwala Ci czerpać energię z cukru, zadziałał.

Tymczasem nadmiar insuliny w krwiobiegu powoduje odkładanie się tłuszczu i podwyższa ryzyko rozwoju cukrzycy. Jak sprawić, żeby mięśnie dostały swoją dawkę cukru? Ruszać się (czytaj: biegać). Ruch przyspiesza metabolizm i powoduje, że komórki stają się bardziej wrażliwe na działanie insuliny.

Płuca. Normalnie przetłaczają około 6 litrów powietrza na minutę, a w czasie biegu ich "przerób" wzrasta do 100-200 litrów na minutę. To około 55-60 cykli wdech-wydech.  

Mózg. W tylnej części przysadki mózgowej uwalniany jest hormon ADH. Z kolei w nadnerczach produkowana jest adrenalina i kortyzol, odpowiadające za dostarczenie glukozy, a więc energii, do mięśni.

Serce. Podczas gdy standardowa jednostka tłoczy 60 mililitrów krwi na sekundę, serce atlety pompuje ponad 100 ml.  

Kości. Ci z drobniejszym szkieletem i mniejszą ilością tkanki tłuszczowej dysponowali większą siłą względną, dłuższym krokiem i większą szybkością.

Mięśnie. Silne mięśnie brzucha (proste, skośne i poprzeczne) oraz reszty korpusu to podstawa, żeby utrzymać prawidłową posturę podczas biegu.

Biegaczki - nie taka słaba płeć 

Coraz trudniej jest stosować wobec kobiet tradycyjne określenie "słaba płeć", ponieważ ich osiągnięcia coraz bardziej zbliżają się do męskich. Ale chociaż "karoserie" obu płci coraz bardziej się do siebie upodabniają, to wnętrza często funkcjonują całkiem inaczej.

Związkami między aktywnością fizyczną a gospodarką hormonalną kobiet zajmowali się m.in. naukowcy z uniwersytetu w Connecticut. Ich badania wykazały, że w 3,5 godziny po biegu na 70% VO2max u kobiet nastąpiła koncentracja glukozy, mleczanu i insuliny, podczas gdy u mężczyzn zaobserwowano zwiększone wydzielanie hormonu wzrostu.

Z kolei na uniwersytecie w Buffalo zbadano, jak dieta - zwłaszcza uboga w tłuszcz - wpływa na częstotliwość pojawiania się kontuzji. Po przebadaniu 16 kobiet, które średnio w tygodniu biegały 32 km, okazało się, że ograniczanie spożycia lipidów powodowało wzrost podatności na kontuzje.

Z innych amerykańskich badań wynika, że deficyt energetyczny jest związany ze spadkiem poziomu hormonu zwanego gonadoliberyną, problemami z płodnością i niedoborem estrogenu, podatnością na złamania i zmniejszoną gęstością kości. Z 394 przebadanych biegaczek aż 26% cierpiało na zaburzenia cyklu miesiączkowego (o innych aspektach biegania kobiet piszemy w naszym Poradniku treningowym i zdrowotnym dla biegaczek).

Początek czy koniec rekordów?

Na początku XIX wieku sportowcy wykorzystywali 75% swojego potencjału, a teraz dochodzą do 99%. Francuscy naukowcy kalkulują, że limit możliwości osiągną w 2060 roku. Przypominamy kolejne szczeble drabiny rekordów, po której od lat wspinają się biegacze. Tak bito rekordy w sprincie na 100 m i w maratonie.

Janusz Kusociński w 1932 roku do zdobycia złotego medalu w biegu na 10 000 km na olimpiadzie w Los Angeles potrzebował czasu 30:11:04. Ostatni rekord świata Kenijczyka Kenenisy Bekele to już 26:17:53.

Szybko, coraz szybciej - historia rekordu w biegu na 100 metrów

• na początku lat 60. XX wieku Bob Hayes osiągnął na "setkę" czas 10,06 sekundy

• w 1991 roku Carl Lewis biegnie 100 m w 9,92 sekundy

• w 1999 roku Maurice Green schodzi do 9,79 sekundy

• Usain Bolt czasami 9,69 oraz 9,58 sekundy ustanawia dwa ostatnie rekordy świata

• w połowie lat 70. Annegret Richter notuje czas 11,01 sekundy

• w 1984 roku Evelyn Ashford poprawia go do 10,76 sekundy

• w 1988 roku Florence Griffith-Joyner ustanawia kolejny rekord świata czasem 10,19 sekundy

Końska wytrzymałość, czyli historia rekordów w maratonie

• w 1908 roku rekordzistą świata w maratonie jest John Hayes dzięki czasowi 2:55:18

• w 1985 roku Carlos Lopez osiąga w maratonie wynik 2:07:12

• na przełomie XX i XXI wieku Khalid Khanoucci dwukrotnie bije rekordy świata czasami 2:05:42 i 2:05:38

• w 2007 i 2008 roku Haile Gebrselassie dwukrotnie poprawia najlepsze osiągnięcia na tym dystansie czasami 2:04:26 i 2:03:59

• w 2011 roku Patrick Makau w Berlinie biegnie w czasie 2:03:38

• w 2013 roku Wilson Kipsang ustanawia rekord na 2:03:23, a rok później Dennis Kimetto poprawia go na: 2:02:57

• w pierwszym kobiecym maratonie olimpijskim w 1984 roku Joan Benoit osiąga czas 2:24:52

• w 2003 roku Paula Radcliffe ustanawia dotychczas niepobity rekord świata czasem 2:15:25

RW 10/2011