Сохранение и развитие жизни животного организма во внешнем мире невозможно без непрерывного действия разных форм движения материи на экстероцепторы, которое вызывает сокращения скелетной мускулатуры. Функционирование органов зрения, слуха, обоняния, вкуса, вестибулярных аппаратов, проприоцепторов и рецепторов кожи, как было показано, невозможно без одновременных сокращений соответствующих скелетных мышц, даже когда организм находится в покое. Следовательно, восприятие внешнего мира всегда активно и осуществляется посредством сокращений мышц.
Сокращения скелетной мускулатуры обеспечивают трудовую деятельность людей, направленную на переделку ими природы, создание средств существования. Этот важнейший факт подчеркнули И. М. Сеченов и И. П. Павлов. «Рефлексы головного мозга» И. М. Сеченова начинаются с утверждения, что все бесконечное разнообразие внешних проявлений мозговой деятельности людей сводится окончательно к одному лишь явлению — мышечному движению — и что ум народов создал «рамку», в которую укладываются вообще все проявления мозговой деятельности людей, рамка эта — слово и дело.
Соответствие поведения животных постоянно изменяющимся условиям внешнего мира достигается их высшей нервной деятельностью, а «главнейшее проявление высшей деятельности животного, т. е. его видимая реакция на внешний мир, есть движение — результат деятельности его скелетно-мышечной системы»
При осуществлении мышечных движений возбуждаются вестибулярные аппараты и проприоцепторы, что вызывает рефлекторные изменения вегетативных функций, соответствующие деятельности двигательного аппарата.
Задачи физиологии в изучении трудовых процессов
На основе знания законов природы в процессе труда создаются средства существования людей.
«Труд на благо общества — священная обязанность каждого человека». Но труд это не только производство средств жизни людей, но и «единственное средство для производства всесторонне развитых людей» т. е. основа воспитания гармонически развитого нового человека. Решающее условие построения коммунистического общества — движение вперед к высшей производительности общественного труда по сравнению с капитализмом.
В физиологическом смысле труд — наиболее целесообразное расходование человеческой рабочей силы. Задача физиологии -изучение изменений функции человека во время его трудовой деятельности, что необходимо для физиологического обоснования организации труда, обеспечивающей длительное поддержание умственной и физической работоспособность и на высоком уровне.
Электрификация, механизация и автоматизация производства, производственное применение атомной энергии, внедрение кибернетических, электронных счетно-решающих и управляющих устройств, новейшей реактивной техники выдвигают на первое место роль умственного труда с элементами физической работы. Поэтому в настоящее время особое значение приобретает исследование функций нервной системы в процессе труда, начало которому положил И. М. Сеченов, изучавший «участие нервной системы в рабочих движениях человека» (1900).
В решении этой задачи физиология труда соединяет свои усилия с психологией труда. Особое значение приобретает оптимальное приспособление человека к машине и машины к человеку.
Задача физиологии труда совместно с психологией — исследование физиологических закономерностей интенсивности труда и рациональной его организации, обеспечивающей всестороннее гармоническое развитие личности.
Физиология физического воспитания
«Партия считает одной из важнейших задач — обеспечить воспитание, начиная с самого раннего детского возраста, физически крепкого молодого поколения с гармоническим развитием физических и духовных сил».
Совершенствование физического развития человека основано на физиологии физического воспитания, которая изучает особенности физиологических функций при выполнении различных физических упражнений.
Задача физиологии физического воспитания — исследование закономерностей функционирования нервной системы при физических упражнениях, ее роли в обеспечении единства двигательных и вегетативных рефлексов. Физиология физического воспитания даст физиологическое обоснование активного и пассивного отдыха, тренировки, физического воспитания детей разных возрастов. Следует учесть, что современная техника производства создаст условия для уменьшения движений человека (гипокинезии или гиподинамии), что может привести к существенному снижению функции нервной системы и желез внутренней секреции вследствие резкого уменьшении притока афферентных импульсов из экстероцепторов и особенно из вестибулярного аппарата и проприоцепторов. Человек лучше животных переносит длительную гипокинезию. Некоторые птицы и млекопитающие погибают при длительном полном и даже частичном ограничении движений вследствие значительного нарушения вегетативных функций, прежде всего сердечнососудистой системы, а также атрофии мышц. Твердо установлено, что физический труд и систематические физические упражнения весьма значительно улучшают все функции организма человека и повышают его выносливость к вредным воздействиям среды. Поэтому рациональное использование физкультуры и спорта приобретает важнейшее значение для физического и умственного развития людей.
«Очерк рабочих движений человека» И. М. Сеченова (1901) содержит описание строения и функций костных рычагов, суставов, расположения и принципов деятельности мышц. Особое значение придается нервному аппарату, автоматически регулирующему движения благодаря поступлению афферентных импульсов двоякого рода: 1) из внешних органов чувств и 2) из органов чувств, расположенных в самом двигательном .аппарате. Детально анализируется роль нервной системы в сложных рабочих движениях руки. Произведен анализ движений ноги как рабочего органа и опоры тела и даны советы рациональной организации работы. Эта книга как одна из первых попыток физиологического и биомеханического анализа рабочих движений сохраняет свое значение для физиологии труда и физического воспитания и в настоящее время.
Механические свойства двигательного аппарата, кинематическая характеристика движений
Разнообразие движений человека достигается не только тем, что одни и те же мышцы участвуют в выполнении разных движений, но и тем, что одни и те же движения выполняются разными группами мышц. Кроме того, далеко не всегда вегетативные функции соответствуют характеру производимой работы. У людей в ряде случаев без ущерба для работы имеется различная скорость приспособления вегетативных функций к новому характеру работы, существуют значительные различия в уровне деятельности сердечнососудистой, дыхательной и других систем в покое. Эти различия уменьшаются при выполнении работы. Двигательный аппарат, а также разные внутренние органы, как правило, функционируют несинхронно. Наибольшая работоспособность достигается в тех случаях, когда нервные центры, регулирующие работу двигательного аппарата и разных внутренних органов, функционируют в оптимальном ритме для каждого из них (Н. В. Зимкин, 1963).
Совокупность двух звеньев двигательного аппарата, взаимно ограничивающих движение, называется кинематической парой, например, плеча — предплечья, бедра — голени.
Различные сочленения скелета могут двигаться в одном, двух или трех направлениях. Соответственно различают кинематические пары, обладающие одной, двумя или тремя степенями свободы.
Осью вращения называется линия, вокруг которой совершается вращательное движение. При этом сочлененные кости двигаются в плоскости, перпендикулярной к оси вращения.
Оси, перпендикулярные друг другу и, следовательно, пересекающиеся в одной точке, называются главными. Так как число главных осей может быть не больше трех (соответственно I рем измерениям пространства), то различают три главные оси вращения в суставах: 1) поперечную (фронтальную), вокруг которой происходит сгибание и разгибание; 2) переднезаднюю (сагиттальную), вокруг которой совершается отведение от средней линии и приведение к ней, и 3) вертикальную (продольную), вокруг которой происходит вращение кнутри и кнаружи. Существует еще круговое движение, при котором наблюдается переход вращения с одной оси на другую.
Различают три типа суставов:
1. Суставы с одной осью движения, например блоковидные (межфаланговые сочленения пальцев), винтообразные (локтевой сустав), цилиндрические, вращательные (сустав между локтевой и лучевой костью, сочленение между 1-м и 2-м шейным позвонком).
2. Суставы с двумя осями движения, например пястно-фаланговые сочленения. Указательный палец можно сгибать и разгибать, отводить и приводить. К этому типу относятся и другие важнейшие суставы человеческого тела: лучезапястная и голеностопная группы суставов, пястно-фаланговый сустав большого пальца, сустав между черепом и первым шейным позвонком. Кроме того, коленный сустав при согнутом колене тоже имеет две Степени свободы.
3. Суставы с тремя осями движения, например сустав нижней челюсти, лопаточно-плечевой сустав, тазобедренный сустав.
Следовательно, степени свободы зависят от строения сустава, а также от того, что мышцы, подобно связкам, оказывают препятствие движениям благодаря своему анатомическому устройству, положению, тонусу, сопротивлению растяжению и реципрокной иннервации.
Стояние
Мышцы сокращаются координированно не только при движениях тела, но и при любом положении тела, как, например, стоянии. При стоянии центр тяжести всего тела располагается над плоскостью опоры тела или над плоскостью площади соприкосновения подошв с полом. Перпендикуляр, опущенный из центра тяжести тела, проходит через плоскость опоры, образуемой ступнями ног. Поддерживание тела в этом положении стояния обеспечивается напряжением мышц, так как центры тяжести отдельных частей тела не совпадают с линией, проходящей через центр тяжести всего тела и перпендикулярной к опорной площади. Поддержание головы в вертикальном положении обеспечивается длительным тоническим сокращением шейно-затылочных мышц.
В позно-тоническом рефлексе прямостояния участвует зрение, но главная роль принадлежит афферентным импульсам из вестибулярных аппаратов и проприоцепторов мышц ног. Этот рефлекс — результат сложного сочетания условных и безусловных рефлексов саморегуляции напряжения определенных мышц.
От падения назад тело удерживается благодаря длительному сокращению подвздошно-поясничной мышцы и прямой мышцы бедра, а от падения вперед — благодаря сокращению мышц голени и особенно икроножных мышц.
Таким образом, стояние — активный акт, координированная работа многих мышц тела, и поэтому обмен веществ при стоянии на 20-25% выше, чем в покое.
Мышцы, участвующие в поддержании позы стояния, используют не больше 1/20 своего возможного максимального напряжения.
Динамическая характеристика движений
Подавляющее большинство движений человека совершается так быстро, что их невозможно наблюдать и измерить без специальных приспособлений. Для измерения движений применяется ускоренная киносъемка (64-120 кадров в 1 с) — рапидкино, позволяющая при пропускании киноленты через обыкновенный киноаппарат замедлить движения в десятки раз. Другой способ фотозаписи состоит в том, что на теле человека над центрами суставов помещают четкие значки или маленькие лампочки. Это позволяет точно измерять движения в суставе в пространстве и во времени (хроноциклограммометрия). Так измеряются движения во время ходьбы, бега, физических упражнений, различные рабочие движения. Хроноциклография используется для проверки целесообразности внедрения в трудовой процесс рационализаторского мероприятия.
Для исследования движения на расстоянии в настоящее время применяют радиотелеметрию.
При изучении рабочих движений определяют взаимодействие внешних сил, например веса поднимаемого груза, и внутренних сил, как активных, например сопротивления мышц, так и пассивных, например сил инерции.
Для динамической характеристики движений используются циклические движения, повторяющиеся в определенном ритме, например ходьба, бег.
Общие закономерности центральной регуляции движений
Движения человека рефлекторны. Однако И. П. Павлов подчеркивал, что если бы афферентные импульсы от всех движений, которые мы исполняем, поступали в достаточной степени в большие полушария, то при большом количестве этих импульсов они являлись бы огромной помехой для сношений больших полушарий с внешним миром, почти исключали бы эту их главнейшую роль. Большинство афферентных импульсов из проприоцепторов притекает в спинной мозг и мозговой ствол, которые рефлекторно регулируют движения, направляя по двигательным нервам эфферентные импульсы к скелетным мышцам.
Следовательно, подавляющее большинство движений человека — проприоцептивные безусловные рефлексы. Эта рефлекторная саморегуляция сокращений скелетных мышц обеспечивает антигравитационную функцию, т. е. преодоление сил земного притяжения, осуществление статических и статокинетических рефлексов, дыхательные движения грудной клетки.
В процессе эволюции необходимость длительного сохранения определенного положения, тела в пространстве обусловила исключительно малую адаптацию проприоцепторов, что обеспечивает непрерывные рефлекторные сокращения определенной группы мышц, вызываемые непрерывным поступлением импульсов из проприоцепторов. Кроме того, очень малая адаптация проприоцепторов в отличие от экстероцепторов обусловливает сохранение уровня их возбуждения в зависимости от интенсивности их раздражения. Что касается поступления информации о движениях в центральную нервную систему из экстероцепторов, то благодаря быстрой адаптации она резко уменьшается вскоре после начала их раздражения.
Другая, меньшая часть движений представляет собой экстероцептивные безусловные и условные рефлексы, которые обязательно связаны с проприоцептивными рефлексами, так как любое сокращение скелетной мышцы вызывает раздражение проприоцепторов.
Значительная часть безусловнорефлекторных движений вызывается автоматическим раздражителем, т. е. действием измененного химического состава крови на центральную нервную систему, например дыхательные движения, а также гуморальным раздражением проприоцепторов.
У здоровых людей и высших животных безусловные двигательные рефлексы с интероцепторов иногда вызываются только при достаточно сильных раздражениях, например при переполнении мочевого пузыря или прямой кишки или при заболеваниях внутренних органов.
Интероцептивные условные двигательные рефлексы образуются в совершенно исключительных, неестественных условиях и не имеют никакого значения для нормальной двигательной деятельности людей.
Экстероцептивные условные двигательные рефлексы представляют результат одновременного функционирования многих анализаторов больших полушарий (зрения, слуха, вестибулярного и др.), но только в том случае, когда они связываются с кинестезическим анализатором, в который поступают импульсы из кожи и двигательного аппарата. Это физиологическая основа произвольных движений людей.
На собаках установлено, что кинестезические нейроны больших полушарий связываются со всеми нейронами коры, воспринимающими как все внешние явления, так и всевозможные внутренние процессы организма.
Любое так называемое произвольное движение животных — результат раздражения любого рецептора (органов зрения, слуха, обоняния, вкуса, рецепторов кожи, вестибулярного, двигательного аппарата, внутренних органов и т. д.). Такое раздражение становится условным раздражителем, вызывающим движение, благодаря образованию замыкания, временной условнорефлекторной связи зрительной, слуховой или иной воспринимающей области коры с кинестезическим анализатором.
Условнорефлекторный характер так называемых произвольных движений животных был изучен в лаборатории И. П. Павлова М. К. Петровой (1941), Г. В. Скипнным (1941, 1947) и др.