Как устроены мышцы? И за счет чего они растут
В этой статье мы поговорим о мышцах, о том какие они бывают и за счет чего растут
Строение мышечной ткани
Мышцы относительно сложно устроены. Они представляют из себя совокупность мышечных волокон, объединённых в пучки, покрытые соединительной тканью (перимизием). Все вместе пучки окружены плотной оболочкой из соединительной ткани (эпимизием). При этом перимизий не только отделяет один пучок от другого, но и соединяет их с эпимизием. Обе эти оболочки достаточно плотные. В каждом пучке находятся обособленные мышечные волокна, каждое из которых покрыто рыхлой, куда менее плотной соединительной тканью (эндомизием). Эндомизий как бы связывает мышечные волокна внутри пучка. Артерии, проходя через эпимизий начинают ветвится в перимизии, распадаясь на отдельные капилляры в эндомизии.
На рисунке хорошо видно, что большую часть мышечной клетки занимают сократительные структуры, однако базовые органеллы, такие как ядра, эндоплазматический ретикулум тоже присутствуют. Митохондрии, увы не нарисованы, но они там тоже есть. Стоит сказать, что в зависимости от функции, на них может приходиться существенная часть мышечной клетки, ведь именно они ответственны за синтез большей части необходимой мышцам для сокращения энергетической молекулы АТФ.
Какие бывают мышцы?
Существует несколько классификаций мышц: по форме, числу головок, положению, месту прикрепления и направлению мышечных пучков.
Остановимся на классификации мышц по направлению мышечных пучков, так как именно она обьясняет достаточно стильное отличие в силовых возможностях мышц (а это нас и интересует).
В веретенообразных мышечных пучках волокна расположены параллельно длинной оси мышцы (например, бицепс). При перистом расположении мышечные волокна расположены под углом к длинной оси (идеальные примеры — икроножная и камбаловидная мышцы). Давайте посмотрим как это выглядит.
Слева — веретенообразная мышца, справа — двуперистая.
За счет перистого строения в одной мышце удается упаковать куда больше мышечных волокон одинакового объема, чем в веретенообразных мышцах того же диаметра. Соответственно, мышцы с перистым расположением волокон обладают куда большей «силой тяги».
Тут замечательный пример — икроножная и камбаловидная мышцы. За счет своего перистого строения они в 6 и, соответственно, 12 раз сильнее веретеновидных мышц аналогичного диаметра. Это и логично, ведь им необходимо поднимать вес всего тела при каждом новом шаге.
Однако, у перистых мышц есть и существенный недостаток. За счет того, что волокна расположены под углом к длинной оси мышцы, сама мышца сокращается меньше чем отдельное волокно. По сути, изменение длинны всей мышцы при сокращении равняется изменению длинны волокна, умноженному на косинус угла перестости. Чаще всего угол перестости находится в диапазоне от 2 до 27 градусов. Комбаловидная мышца, расположенная прямо под икроножной, имеет угол перистости в 27 градусов (cos = 0.89). Соответственно, при сокращении мышечных волокон внутри комбаловидной мышцы на x см, реально длинна мышцы сократится на 0.89x см. Такое раположение волокон снижает скорость сокращения перистых мышц.
Иначе говоря, перистые мышцы нужны там, где речь идет о преодолении большой силы на малом пути. Например, при подъеме на носочки амплитуда движения небольшая (если сравнивать ее с разгибанием/сгибанием руки). У нас нет прямой необходимости вставать на носочки с очень большой скоростью, если, конечно, вы не увлекаетесь балетом. Однако, в целом вставать на носочки нам приходится довольно часто. Соответственно, мышцы, которые отвечают за подъем, должны поднимать вес всего тела, пусть даже и в ущерб скорости. Сгибателям и разгибателям рук тоже нужно быть сильными, но им точно нельзя жертвовать скоростью, чтобы первым дотянуться до яблока на дереве или оттолкнуть хищника (ну, эволюционно так сложилось). Поэтому, там, где нужно действовать оперативно, тело чаще использует веретенообразные мышцы.
Быстрые и медленные мышечные волокна
В одной мышце сосуществует несколько типов волокон, которые отличится по таким параметрам, как скорость, сила сокращения и утомляемость. Причина этого лежит в различиях метаболических процессов и в отличиях сократительных элементов. Давайте посмотрим на это явление подробнее:
1. Медленные окислительные (I тип) — красные
Это волокна сравнительно тонкого диаметра, которые имеют низкий порог активации мотонейрона. А значит именно они выполняют обыденные сокращения — ведь мозгу достаточно послать слабую команду для сокращения таких волокон. Также, красные волокна сокращаются относительно медленно (порядка 100–110 мс).
Кровоснабжаются эти волокна хорошо и имеют высокое содержание миоглобина (используется как депо кислорода). Крупные митохондрии позволяют им работать на протяжении более длительного времени.
Название — окислительные, очень логично, поскольку получение энергии ими осуществляется за счет аэробного дыхания (процесс длительный и требует наличие кислорода). Обычно это подразумевает окисление глюкозы до пирувата в процессе гликолиза, с последующим окислением до углекислого газа в цикле Кребса. В результате образуется 38 молекул АТФ из 1 молекулы глюкозы.
Красные волокна выполняют основную работу когда вы печатаете на клавиатуре, идете на работу или даже бегаете по утрам (только если не очень быстро).
2. Быстрые гликолитические волокна (II тип) — белые
Волокна данного типа в целом более толстые и сильные и куда больше подвержены гипертрофии (увеличению в размере). Для них характерна большая скорость сокращения (порядка 50 мс), но и большая утомляемость.
Название гликолитический происходит от основного способа получения ими энергии (в результате гликолиза). Данный способ позволяет получить АТФ быстро и не требует кислорода, то есть, является анаэробным. Однако, у него низкая эффективность — всего 2 молекулы АТФ из 1 молекулы глюкозы.
Для белых волокон характерен высокий порог активации мотонейрона. Это значит, чтобы задействовать данный тип волокон, мозг должен послать сильную команду на сокращение. Получается, что в обычной жизни, такие волокна слабо задействованы.
В разных мышцах доля белых волокон различается. Так, например, в уже упомянутых икроножных — быстрых волокон довольно мало, поскольку икры чаще всего выполняют монотонную работу и должны быть довольно выносливыми. А вот у разгибателей плеча (трицепса) большинство волокон — белые, ведь сокращаться ему нужно быстро. Будь мы в дикой природе, я бы сказал, что такие волокна в основном отвечают за реализацию стратегии бей, или беги.
Среди быстрых волокон выделяют два подтипа:
IIа тип: быстрые окислительно-гликолитические, или просто быстрые окислительные волокна. По сути это почти те же быстрые волокна, но чуть меньшей толщины. Они более выносливы, чем волокна IIb типа, но утомляются быстрее, чем волокна I типа. При сокращении данный тип волокон развивает среднюю силу, используя в качестве источников энергии как окислительные (используются медленными), так анаэробные механизмы (используются быстрыми волокнами).
IIb тип: быстрые гликолитические волокна — толстые, быстрые, сильные волокна. Для них характерна быстрая утомляемость и высокий порог активации мотонейрона. Для получения энергии используют те же механизмы, что и быстрые волокна.
На рисунке сверху показано условное распределение быстрых и медленных волокон, а так же указаны типичные примеры мышц с преобладанием конкретного типа волокон.
Увеличение мышечной массы: гипертрофия или гиперплазия?
Количество волокон в одной и той же мышце у разных людей может существенно отличаться. Изначально считалось, что число мышечных волокон генетически детерминировано и не меняется в течение жизни. Соответственно и мышечный рост обусловлен не увеличением числа мышечных волокон, а увеличением их диаметра (гипертрофия).
Однако в последнее время появляется все больше работ, показывающих возможность увеличения числа волокон (гиперплазия) у животных, например, у птиц. Обычно, причиной гиперплазии у животных служит экстремальное растяжение мышц на протяжении длительного времени (от пары часов, до нескольких суток). Если кто-то подумал, что есть птицы, приверженцы экстремальной йоги — спешу вас разочаровать. Эти экстремальные растяжения являются частью экспериментов и достигаются не самым приятным образом.
Так за счет какого процесса происходит развитие и рост мышц у нас с вами?
Существующие работы, по исследованию мышечного роста у человека показывают, что именно увеличение толщины волокон является причиной увеличения объема его мышц. И именно силовые нагрузки приводят к гипертрофии мышечных волокон человека. Роль гиперплазии же, скорее всего незначительна, если она вообще имеет место быть (сложно представить себе человека, который без остановки (в течение пары суток) растягивает одну и ту же мышцу.
Почему разные мышцы растут по разному?
Наиболее привычный и понятный для нас способ тренироваться — это обычные силовые тренировки. Под воздействием таких тренировок происходит гипертрофия быстрых и части промежуточных волокон (IIa), в то время, как медленные волокна чаще остаются за бортом.
Тогда как гипертрофировать мышцы с преобладанием медленных волокон?
Все просто, нужно выполнять упражнения в многоповторном режиме. Для примера возьмем икры (в них много медленных волокон). Хорошим подходом к тренировке этих мышц будут упражнения, которые можно выполнять неспеша в течение минуты (или более, в зависимости от вашей тренированности). Для примера возьмем подъёмы на носочки. За минуту получится примерно 30–40 повторений — это по сути тренировка на выносливость.
А что тогда насчет обычных силовых тренировок? Ведь в икрах все еще остаются быстрые волокна, которые тоже хочется гипертрофировать.
Хотя многоповторные нагрузки и оказывают на икры наибольший эффект (в отличие от, например, на грудных мышц), для достижения максимального эффекта можно разбавлять их редкими, но «тяжелыми» тренировками с числом повторов от 8 до 20. В таком случае можно использовать утяжелители или просто выполнять позитивную фазу (вставать на носочки) в максимально быстром темпе. Такой подход поможет максимально включить быстрые волокна.
А как обеспечить рост мышц с быстрыми волокнами?
Например, вы хотите гипертрофировать трицепс (помним, что в нем много быстрых волокон). Это значит, что эффективными будут подходы с малым, и средним числом повторов и большой нагрузкой (50–80% от одноповторного максимума). При этом, длительность подхода не должна превышать 25–30 секунд, так как к этому времени уже успевает закончится АТФ и потихоньку подходят к концу запасы креатин фосфата (еще один вид топлива для быстрых волокон). После этого необходим отдых в 60–120 секунд (этого хватает, на ресинтез запасов топлива для быстрых волокон). С другими мышцами, с преобладанием быстрых волокон примерна та же картина.
В довесок скажу, что с распределением волокон все не так просто. Есть еще ряд факторов (таких как пол, возраст и т.д.), которые могут оказать существенное влияние на соотношение мышечных волокон в мышцах человеческого тела.
Подробнее об этих и других аспектах, связанных с соотношением типов мышечных волокон в теле мы поговорим в следующей статье.
P. S. Вы уже наверное поняли, что это тема достаточно сложная и применять эти знания не так уж просто. Но мы с друзьями заморочились и недавно запилили фитнесс приложение на основе ИИ, и написали об этом небольшую статью. Оно в самом начале оценивает точку старта человека и на основе его физических особенностей создает индивидуальные тренировки.
Если влезть под капот, то мы увидим, что алгоритм учитывает сколько времени должны длиться подходы, что бы привести именно к гипертрофии, при этом нагрузка калибруется так, чтобы человек реально мог все выполнить. И да, он не выплёвывает легкие после первой тренировки и на завтра может ходить :) + еще куча интересных механизмов на базе спортивной физиологии о которых мы немного рассказываем здесь.
