Текст книги "Парадокс упражнений. Научный взгляд на физическую активность, отдых и здоровье"

Часть II. Скорость, сила, мощь

Глава 5. Скорость: ни черепаха, ни заяц

И снова, дерущее, неотвратимое, по острову понеслось улюлюканье. Он прянул, как конь, опять побежал, опять задохнулся[224]224
  Голдинг У. Повелитель мух. М.: АСТ, 2016.


[Закрыть].

Уильям Голдинг. Повелитель мух

Миф № 5: нормальные люди либо быстры, либо выносливы

Пожалуй, за всю жизнь я не бежал быстрее, чем в давние времена, когда работал в экспедиции на кенийском участке Олоргесайли километров на сорок юго-западнее Найроби. Если не считать малочисленного населения пастухов-кочевников масаи, эта жаркая, пыльная, бесплодная местность почти безлюдна. Однако между 1,2 млн и 400 тыс. лет тому назад здесь плескалось огромное, давно уже высохшее озеро, очаг жизни ранних людей, а также диких животных – бегемотов, слонов, обезьян и зебр. Когда в свои двадцать четыре года я начинал учебу в аспирантуре, мне подвернулась изумительная возможность провести несколько недель на археологических раскопках в Олоргесайли и помочь археологам извлекать из земли останки древних людей и каменные орудия труда, которые пролили бы свет на тайны когда-то кипевшей здесь жизни. Олоргесайли манит ученых загадками древнейшей жизни, но это еще и фантастическое место, лучшее на свете, чтобы жить, работать, набираться знаний.

Наш палаточный лагерь расположился на небольшом каменном выступе над поросшей сухим кустарником обширной пустошью, которая простиралась до проступающих на горизонте очертаний потухшего вулкана. Каждое утро я поднимался пораньше, чтобы до начала работ по раскопке костей и окаменелостей каменного века в уединении полюбоваться рассветом. Порой я замечал вдали гиен, вприпрыжку возвращавшихся после ночи безобразного пиршества и частенько тащивших в своих мощных челюстях кость или конечность ночной жертвы. Хотя логова этой стаи располагались по соседству с нашим лагерем, наши два вида предпочитали держаться подальше друг от друга.

Как-то раз, ближе к полудню, я так увлекся своими работами, что даже не отреагировал, когда на меня накатила волна адского зловония, хотя оно должно было послужить мне сигналом опасности. До сих пор помню со всей живостью момента, как будто это было вчера, как поднял взгляд и встретился с глазами-бусинками на морде гиены. Помню и густое гнилостное зловоние, исходившее от уставившегося на меня животного. Охваченный ужасом, я бросил свою планшетку с записями и быстрее пули понесся прочь от грозившей мне смерти. Такого стрекача я не задавал ни разу в жизни и уверен, что за те тридцать секунд поставил личный рекорд скорости. Когда я наконец рискнул обернуться, едва переводя дух и чуть не падая от обжигающей боли в ногах, у меня отлегло от сердца: гиена не спеша трусила в противоположном направлении. Кто знает, может, она не меньше моего желала сбежать с места нашей встречи. Даже сегодня, стоит мне где-нибудь унюхать что-то, хотя бы отдаленно напоминающее смрадный дух гиен, в моей памяти воскресает пережитый тогда ужас.

Чем дольше живу, тем больше благодарен той гиене, что она решила не преследовать меня: шансов убежать у меня было ноль. Пишут, что гиена способна развивать скорость чуть ли не до 65 км/ч[225]225
  Bourliere F. The Natural History of Mammals, 3rd ed. New York: Alfred A. Knopf, 1964.


[Закрыть]. Я вообще-то резвостью больше сродни черепахе, чем зайцу, и подозреваю, что и в лучшей форме не способен даже на минуту выдать выше 25 км/ч. К тому же, в отличие от гиены, мне нечем защититься за неимением когтей, мощных лап и клыков. Захоти та гиена, она бы играючи порвала меня в клочки, а то и убила.

Хотя большинство людей разумно остерегаются крупных диких хищников, каждый июль в испанской Памплоне сотни взрослых мужчин по своей воле рискуют быть покалеченными или затоптанными огромными разъяренными быками. На празднике Сан-Фермин восемь дней подряд ровно в восемь утра на узкие, извилистые, еще времен Средневековья улочки выпускают дюжину быков. В течение нескольких следующих минут опасные и свирепые создания на протяжении 825 м преследуют толпу красочно разодетых отважных смельчаков. Заканчивается смертельный забег на арене для корриды. Заметьте: мужчины и быки по всем статьям и близко неровня. Быки раз в десять тяжелее, вооружены смертоносными рогами и, когда в раже стадного инстинкта несутся по улицам, могут догнать бегущего человека, особенно подвыпившего или похмельного[226]226
  Средний бык при беге способен разогнаться до 35 км/ч, а нетренированный, но спортивный человек может бежать со скоростью 24 км/ч. Спринтер экстра-класса в беге способен сравняться скоростью с быком.


[Закрыть]. Нередки случаи, когда быки затаптывают или пронзают рогами злосчастных hombres[227]227
  Мужчин (исп.). Прим. ред.


[Закрыть], которым не повезло поскользнуться или которые не успели вовремя убраться с дороги. Каждый год десятки людей получают травмы, а раз в несколько лет кто-то погибает, пронзенный острыми рогами[228]228
  Fiske-Harrison A. et al. Fiesta: How to Survive the Bulls of Pamplona. Mephisto Press, 2014.


[Закрыть]. Какого бы мнения вы ни были о бегстве от разъяренных быков, оно высвечивает то же очевидное различие, которое существует между мной и моей знакомой гиеной: мы, люди, медлительные, слабые и уязвимые и больше полагаемся на наш разум, чем на мышечную силу.

Но все ли люди настолько тихоходны? И что было бы, возьмись бегать наперегонки с гиеной или памплонскими быками не кучка любителей острых ощущений, а действительно быстроногий, отлично тренированный спринтер?

Насколько медлителен Усэйн Болт?

Когда на лондонском стадионе появляются легкоатлеты, толпа взрывается овациями. Перенесемся в 2012-й: летняя Олимпиада, финал забега на сто метров, главное на весь мир состязание в скорости. Словно не замечая восторженной восьмидесятитысячной армии болельщиков, восемь спринтеров-финалистов перед стартом разогревают и растягивают мышцы, их взгляды обращены внутрь себя: каждый мысленно повторяет свою стратегию забега. Наконец все готовы, распорядитель расставляет их по стартовым колодкам, а комментатор и телевизионщики одного за другим представляют бегунов публике. Все восемь считаются лучшими спринтерами планеты, но внимание приковано к высоченному ямайскому легкоатлету Усэйну Болту. Он феноменальный бегун и действующий мировой рекордсмен в спринте. Болт, 1,95 м ростом, возвышается над соперниками и, широко улыбаясь, упивается неистовыми восторгами болельщиков. Вдруг стадион, словно по волшебству, замирает, в напряженной тишине атлеты сосредоточенно ставят ноги на стартовые колодки, сильную – на переднюю, колени на земле, кончики пальцев в миллиметрах от линии старта. Внимание почти всего мира приковано к этой восьмерке, особенно к Болту. По команде стартера бегуны приподнимаются, отрывают колени от земли. Спустя секунды гремит выстрел, началось!

В долю секунды бегуны распрямляют ноги, отталкиваясь вперед и вверх от стартовых колодок, туловище наклонено под углом 45 градусов к земле, одна рука вылетает вперед, другая назад. Болт покидает колодки одним из последних. Ускоряясь, спринтеры медленно выпрямляют торсы. Шагов за десять-пятнадцать все окончательно распрямляются и держатся вровень. Но они продолжают набирать скорость, и Болт вырывается вперед. В эти секунды спринтеры стараются следовать идеальной технике бега: опорная нога касается дорожки передней частью стопы и ставится слегка впереди бедра. Нужно быстрее вздернуть колено, прежде чем с мощным ускорением послать ногу вперед-вниз и снова обрушить ее на дорожку, будто вбивая сваю. Хотя главный движитель бега – ноги, спринтеры энергично работают руками, держа их параллельно и впритирку к туловищу; мышцы рук предельно расслаблены, а плечи опущены, чтобы избежать ненужных вращений корпусом. К отметке 50 м все бегуны набирают максимальную скорость 40–42 км/ч, и уже ясно, что Болт лидирует. Только сейчас спринтеры позволяют себе первый со старта вдох, но по-прежнему сосредоточены только на одном: держать темп, не замедляя бега.

К семидесятиметровой отметке Болт уже на несколько шагов опережает соперников, он практически побеждает. Глаз не способен за этим уследить, но к концу дистанции все спринтеры, не исключая Болта, чуть замедляются, и все знают, что победа достанется тому, кто меньше всех потеряет в скорости. На этом этапе спринтер должен выкладываться, следить, чтобы колени поднимались как можно выше, а тело оставалось расслабленным. Верный своей репутации, Болт, как снаряд, несется вперед. Лишь достигнув финишной черты, он слегка наклоняется вперед, его корпус пересекает финиш через 9,63 секунды после старта. Новый олимпийский рекорд! Стадион ревет, эмоции зашкаливают, Болт отдается торжеству. Он заворачивается в ямайский флаг и демонстрирует репортерам свою коронную позу «зигзаг молнии».

Болт ушел из спорта в 2017 г., завершив блестящую карьеру, имея в активе множество мировых рекордов и золотых олимпийских медалей. Но как ему удавалось держать пальму первенства дольше всех других спринтеров мира? Дело в том, что скорость бега определяется длиной и частотой шага (под длиной шага понимается полный цикл от момента, когда ступня касается поверхности, до момента, когда она же опустится на землю в следующий раз); значит, чтобы бежать быстрее, надо делать шаги либо длиннее, либо чаще. Либо сочетать и то и другое[229]229
  Salo A. L. et al. Elite sprinting: Are athletes individually step frequency or step length reliant? // Medicine and Science in Sport and Exercise. 2010. Vol. 43. Pp. 1055–1062.


[Закрыть]. Поскольку ноги у Болта длиннее, а работал он ими так же быстро, как спринтеры с ногами короче, он и бежал быстрее, чем соперники[230]230
  Согласно данным специалиста по биомеханике спринтерского бега Питера Вейанда, у Болта пиковая частота составляла от 2,1 до 2,2 шага в секунду, чуть ниже, чем у других спринтеров, способных поддерживать частоту в 2,3–2,4 шага в секунду, а у спринтеров меньшего роста частота может достигать и 2,5 шага в секунду.


[Закрыть]. На всю стометровку Болту обычно хватало всего сорок шагов, тогда как соперники делали где-то сорок пять. Но Болту, чтобы с такой быстротой работать своими длинными ногами, требовалась колоссальная сила. Точно так же как бейсбольная бита большей длины требует замаха посильнее, для ускорения более длинной ноги нужно большее усилие. В целом при своей длинноногости в сочетании со способностью прилагать огромные усилия Болт в забеге больше времени летел по воздуху, чем его соперники. Его скорость при самом быстром забеге на 100 м (Берлин, 2009 г.) в среднем составляла 37 км/ч, а на коротких промежутках доходила и до 45 км/ч.

Иногда я бегаю на стадионе и стараюсь отработать скорость. Пыхчу изо всех сил, отдуваюсь, а мимо стайками проносятся легконогие бегуны на скоростях, для меня немыслимых. Причем они такие же любители, как я, но, глядя на их быстро удаляющиеся спины, я, кажется, понимаю, каково это, когда тебя обгоняет кто-нибудь вроде Болта. Впрочем, как ни быстры Усэйн Болт и другие спринтеры экстра-класса, по сравнению с рядовой четвероногой зверушкой быстрота их бега, прямо скажем, не впечатляет. Памятуя, что в силу многих причин трудно точно измерить скорость бегущего дикого животного (причем никогда не знаешь, действительно ли в данный момент она для него максимальная), посмотрим на рис. 9, где мировой рекорд скорости Болта в 43,9 км/ч представлен в сравнении с предположительно максимальными скоростями, развивать которые способны отдельные четвероногие[231]231
  Данные по животным взяты в основном из Garland T., Jr. The relation between maximal running speed and body mass in terrestrial mammals // Journal of Zoology. 1983. Vol. 199. Pp. 157–170.


[Закрыть]. Порадуемся, что Болт мог бы обогнать скунса, носорога, гиппопотама, а также большинство мелких грызунов включая обыкновенных серых белок. А теперь огорчимся: Болт не имеет ни малейших шансов против огромного количества всевозможных четвероногих вроде зебр, жирафов, белохвостых оленей и даже бородатых (безоаровых) козлов. Что касается хищников, то даже менее быстрые из них вроде гризли или гиены, случись им с Болтом наперегонки преследовать добычу, легко и непринужденно обойдут его и перехватят трофей. И хорошо еще, если сам он их добычей не станет.

Рис. 9. Максимальные скорости бега Усэйна Болта в сравнении с той, развить которую, вероятно, способны разные млекопитающие. Учтем, что максимальная скорость многих животных с трудом поддается измерению и верификации, поэтому к указанным значениям советую отнестись с долей здорового скептицизма. Не забудем, что большинство достаточно тренированных людей не способны бежать быстрее 24 км/ч, что примерно соответствует скорости гиппопотама[232]232
  Garland T., Jr. The relation between maximal running speed and body mass in terrestrial mammals // Journal of Zoology. 1983. Vol. 199. Pp. 157–170.


[Закрыть]

Проблема спринтерского бега еще и в том, что на него быстро растрачиваешь все силы. Ни одно животное не способно держать такую скорость долгое время. И люди не исключение. Лучшие спринтеры мира, как и сам Усэйн Болт, могут поддерживать максимальную скорость секунд двадцать, а затем вынуждены существенно замедлить бег. Для примера: лучшее время, показанное на дистанции в 1000 м (на настоящий момент 2 минуты 11 секунд), демонстрирует, что данное расстояние было преодолено со скоростью 27,3 км/ч, и это менее трех четвертей скорости при самых быстрых забегах на 100 м. А если судить по действующему мировому рекорду в забеге на 5000 м (12 минут 37,35 секунды), на этой дистанции скорость бегуна была еще меньше – 23,7 км/ч[233]233
  Летом 2021 года мировой рекорд в беге на 5000 метров был улучшен до 12 минут 35,36 секунды, и средняя скорость при этом составила 23,8 км/ч. Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Гепарды в дикой природе тоже бегут с максимальной скоростью не дольше тридцати секунд, потом замедляются[234]234
  Гарвардский биолог Ричард Тейлор по результатам своего знаменитого эксперимента заявляет, что гепард способен бежать со своей впечатляющей скоростью всего четыре минуты, прежде чем его организм перегреется, заставив животное остановиться. Но этот эксперимент проводился в лаборатории, и гепард двигался на скорости куда ниже своих максимальных возможностей (попробуйте-ка запустить на такую огромную скорость беговой тренажер, когда на нем стоит этот опасный быстрый хищник), к тому же, как показали тщательные исследования в дикой природе, когда гепардам в Южной Африке устанавливали датчики температуры, эти животные прекращали стремительный бег за некоторое время до того, как перегреются. См.: Hetem R. S. et al. Cheetah do not abandon hunts because they overheat // Biology Letters. 2013. Vol. 9. P. 20130472; Taylor C. R., Rowntree V. J. Temperature regulation and heat balance in running cheetahs: A strategy for sprinters? // American Journal of Physiology. 1973. Vol. 224. Pp. 848–851.


[Закрыть]. Однако – если учесть, что многие млекопитающие способны бегать намного быстрее человека, – они могут преследовать нас или убежать от нас на не самой высокой для себя скорости, которую в состоянии поддерживать дольше.

У людей-спринтеров еще очень неважно с поворотами. В реальном мире животные не выстраиваются вдоль прочерченной краской линии и не мчатся, не чуя под собой лап, по ровной, как столешница, поверхности до другой такой же прочерченной линии. Они бегут зигзагами, что снижает их скорость. Если вы видели, как гепард преследует газель, то наверняка обратили внимание, что газель (чья пиковая скорость 80 км/ч, что безнадежно ниже, чем у гепарда с его 110 км/ч) отчаянно пытается на бегу делать быстрые непредсказуемые повороты, чтобы замедлить преследователя[235]235
  Wilson A. M. et al. Biomechanics of predator-prey arms race in lion, zebra, cheetah, and impala // Nature. 2018. Vol. 554. Pp. 183–188.


[Закрыть]. Подобная стратегия часто приносит плоды, но, если вдруг гепард погонится за вами, у вас убегать от него зигзагами, скорее всего, не выйдет. Как вам подтвердит любой ветеран Памплоны, самые опасные участки маршрута – как раз повороты, где мы, двуногие, замедляемся еще больше и куда менее устойчивы, чем быки на своих четырех ногах[236]236
  Поворот значительно замедляет бегуна, поскольку ему надо приложить боковое усилие, чтобы перенаправить тело в нужную сторону. В поворотах животные менее устойчивы: чтобы направить тело в сторону поворота, ноги приходится выносить в сторону, а не ставить вертикально вниз под центром тяжести, как при беге по прямой. В обоих этих отношениях человек сильно проигрывает животному. Во-первых, у человека-бегуна (если учесть, что в каждый момент только одна его нога опирается на землю) выше вероятность упасть, чем у четвероногого, имеющего в каждый момент бега опору на две ноги, причем одна располагается под центром тяжести и помогает поддерживать тело. Во-вторых, у человека хуже сцепление с поверхностью. Современные спортсмены используют обувь с шипами, а гепарду сама природа дала втягивающиеся когти, которые действуют как шипы и при поворотах обеспечивают животному сцепление с землей. См.: Jindrich D. L., Besier T. F., Lloyd D. G. A hypothesis for the function of braking forces during running turns // Journal of Biomechanics. 2006. Vol. 39. Pp. 1611–1620.


[Закрыть].

Получается, даже лучшим бегунам далеко до животных. Учтите и то, что мы сравнивали самых быстрых из ныне живущих бегунов, а это выдающиеся спортсмены, у них за плечами годы тренировок при наставничестве тренеров и помощи специалистов ради единственной цели: как можно быстрее преодолеть заданную дистанцию на дорожке стадиона – с рядовыми и специально не тренированными млекопитающими. Атлет высшего класса способен на короткое время разогнаться до 32 км/ч или больше, но большинство вполне спортивных людей редко превышают скорость в 24 км/ч. Видимо, это самая разумная оценка максимальной спринтерской скорости на протяжении большей части эволюции человека. Если вы не спринтер мирового класса, у вас мало шансов потягаться в скорости с обычной белкой. Почему люди настолько медлительны по сравнению с животными?

Минусы двуногости

Если, как учат некоторые религии, Господь Бог создал нас по своему образу и подобию, Он, должно быть, и сам не то чтобы быстрый. Если посмотреть с эволюционной точки зрения, нашу относительную медлительность можно объяснить тем, что порядка семи миллионов лет назад естественный отбор начал приспосабливать наших пращуров к прямохождению. И хотя двуногость, или бипедальность, имеет свои преимущества, она далась нам ценой ухудшения некоторых двигательных навыков. Вдобавок к неуклюжести при лазаньи по деревьям, склонности спотыкаться и падать и большей подверженности поясничным болям мы, став двуногими, сделались опасно медлительными.

Мы лучше поймем, почему бипедальность обрекла нас на нерасторопность, если вспомним, что при ходьбе или беге необходимо прикладывать силу в месте контакта ног с грунтом. Чем больше сила, с которой ваши ноги отталкиваются от земли, тем быстрее вы бежите. В этом кроется главная причина относительной тихоходности человека прямоходящего: собака или шимпанзе всеми четырьмя конечностями отталкиваются от земли, развивая более высокую мощность (то есть совершая большую работу за то же время), а у нас ног только две. Причем при беге мы можем опереться только на одну ногу и только одной отталкиваться, посылая себя вперед. А меньшая мощность толчка означает меньшую скорость передвижения. Как скромный четырехцилиндровый движок моей машины способен развить скорость вполовину меньшую, чем мощная восьмицилиндровая «Феррари», так и двуногий человек может двигаться вполовину медленнее, чем четвероногое создание сопоставимых размеров. Борзая развивает скорость вдвое большую, чем спринтер мирового класса.

Если мы посмотрим на страуса – а он способен разгоняться до 72 км/ч, – то поймем, что наличие двух ног вместо четырех не создает непреодолимого препятствия для высоких скоростей[237]237
  Rubenson J. et al. Gait selection in the ostrich: Mechanical and metabolic characteristics of walking and running with and without an aerial phase // Proceedings of the Royal Society B: Biological Science. 2004. Vol. 271. Pp. 1091–1099. Люди и страусы: Jindrich D. L. et al. Mechanics of cutting maneuvers by ostriches (Struthio camelus) // Journal of Experimental Biology. 2007. Vol. 210. Pp. 1378–1390. Если вам интересно, то тираннозавр Tyrannosaurus rex, вероятно, не так уж быстро бегал; по последним оценкам, самое большее, на что он был способен, – развить скорость в 19 км/ч. См.: Sellers W. I. et al. Investigating the running abilities of Tyrannosaurus rex using stress-constrained multibody dynamic analysis // PeerJ. 2017. Vol. 5. P. e3420.


[Закрыть]. Печально, что, когда наши предки поднялись со своих четырех конечностей, эволюция не потрудилась приспособить их бегать так же быстро, как эти нелетающие птички. Зато мы унаследовали от наших предков-приматов признаки, препятствующие быстрому бегу: крупные громоздкие голени и ступни. Сравните свои ноги с задними конечностями лошади, собаки или страуса, как показано на рис. 10. Поскольку наши большие неуклюжие ступни ориентированы горизонтально вдоль поверхности, голеностопные суставы находятся всего в нескольких сантиметрах над землей, а собака и страус на рисунке бегут на цыпочках, опираясь на пальцы ног, благодаря чему их длинные ноги имеют три отдела. Массивные ступни приматов идеально приспособлены для того, чтобы хвататься за ветви и взбираться по стволам деревьев, но наши толстые короткие ноги снижают скорость тем, что сокращают длину каждого шага. Относительно короткие ноги приматов к тому же утолщены по всей длине: у нас массивные голени и большие ступни. Поскольку у собак, лошадей и страусов задние конечности круто сходят вниз на конус и оканчиваются маленькими ступнями, центр тяжести их ног помещается ближе к бедрам, что облегчает быстрый вынос конечности вперед. Наконец, унаследованные нами от приматов ноги лишены когтей, которые служат естественными шипами, и толстых грубых подушек, выполняющих роль естественной обуви.

Рис. 10. Вид сбоку на бегущих собаку, человека и страуса. Обратите внимание, что у человека ноги толще, не так резко сходят на конус и имеют всего два основных отдела, а также большие, громоздкие ступни

Прямохождение имеет еще один недостаток: при беге спина не используется как удлиняющая шаг пружина. Посмотрите в замедленном воспроизведении видео, как мчится борзая или гепард. При постановке на землю их задние лапы оказываются в точке, расположенной как раз под линией плеч, и длинная гибкая спина изгибается вверх, запасая энергию упругости. Когда животное сильно отталкивается задними лапами от земли, спина распрямляется, энергия упругости высвобождается и позволяет телу катапультироваться вверх и вперед, что значительно увеличивает длину шага[238]238
  Gambaryan P., Hardin H. How Mammals Run: Anatomical Adaptations. New York: Wiley, 1974; Galis F. et al. Fast running restricts evolutionary change of the vertebral column in mammals // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2014. Vol. 111. Pp. 11401–11406.


[Закрыть]. А наши относительно короткие прямые спины никак не помогают ускорить бег; спина старается сохранить в равновесии врожденно неустойчивую верхнюю часть нашего туловища и при этом гасит ударную волну, которая распространяется от ног к голове при каждом касании ног земли[239]239
  Castillo E. R., Lieberman D. E. Shock attenuation in the human lumbar spine during walking and running // Journal of Experimental Biology. 2018. Vol. 221. P. jeb177949. Здесь я ограничиваюсь недостатками двуногости в плане энергии движения, хотя наше прямохождение влечет за собой массу других проблем. Одна из них в том, что при беге голова безбожно раскачивается и трясется. У бегущего человека она дергается вверх-вниз, а голова бегущей галопом собаки или лошади сохраняет удивительную неподвижность, хотя остальные части тела энергично двигаются. Такое впечатление, что голова бегущего четвероногого независимо установлена на туловище, как боеголовка ракеты. Неподвижность головы имеет огромное значение при беге, поскольку рефлексы, стабилизирующие глазные яблоки животного, чтобы не допускать нечеткости и/или расплывчатости зрения, при быстрой смене положения срабатывают недостаточно быстро. Как показывают эксперименты, если голова совершает слишком быстрые вращательные движения, животные (включая людей) теряют способность с нужной резкостью видеть то, на чем сосредоточен их взгляд, в том числе препятствия. Таким образом, ходящая ходуном голова бегущего представляет для него потенциальную опасность. Четвероногие решили проблему, обзаведясь относительно горизонтальной шеей. Благодаря такой консольной конструкции, когда туловище животного падает или поднимается, оно поднимает или опускает шею, обеспечивая голове неподвижность. Некоторые животные в этом отношении сделали еще шаг вперед и обзавелись очень крепкой и очень упругой выйной связкой (между затылочной костью и остистым отростком последнего шейного позвонка), которая пассивно стабилизирует положение головы, не требуя особого мышечного усилия. И только человек бегает подскакивая, словно на ходулях с пружинками, из-за своей маленькой, короткой шеи, вертикально притороченной к середине основания черепа. Хотя у нас выработались кое-какие специальные механизмы, уберегающие нашу голову от чрезмерного рысканья, она все равно мотается вверх-вниз при беге, и с этим мы ничего поделать не можем. Подробнее об этом см. главу 9 в Lieberman D. E. The Evolution of the Human Head. Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 2011.


[Закрыть].

В целом люди тихоходны еще со времен судьбоносного для нашего вида поворота эволюции, когда семь миллионов лет назад она решила сделать нас двуногими. Будь я голодным саблезубым тигром первобытных времен в Африке, наверняка пристрастился бы обедать ранними людьми, потому что ловить их проще, чем гоняться за антилопами и прочей четвероногой пищей. Но какой бы легкой добычей для хищников ни были наши древнейшие предки, им, надо полагать, не раз случалось совершать спринтерские рывки, спасаясь от кровожадных челюстей. В конце концов, если не хочешь попасть тигру на обед, надо просто бежать чуточку быстрее, чем этот пыхтящий рядом соплеменник. Для Усэйна Болта это не составило бы труда, ведь его спринтерская скорость вдвое превышает мою. Но, как и большинство бегунов на длинные дистанции, я, вероятно, убежал бы намного дальше, чем Болт. Отсюда вопрос: насколько я жертвую скоростью в пользу большей выносливости?

Быстро или далеко?

Мой друг и коллега профессор Дженни Хоффман любит бегать несообразно длинные дистанции. Как-то она преодолела за сутки 228,5 км. Пусть меня лучше разрежут на кусочки, чем я соглашусь повторить этот подвиг. Хотя послушать Дженни – так это удовольствие, к тому же вполне осуществимое, если поддерживать спокойный темп и по дороге подкрепляться имбирными пряниками (последнее, замечу, вполне можно проделывать, и не изнуряя себя 24-часовым безостановочным бегом). Комфортно-неторопливая скорость Дженни – 6 минут 15 секунд на один километр – должна была составлять около четверти в сравнении с молниеносными скоростями, каких достигают в спринте бегуны экстра-класса. Разумеется, случись Дженни на спринтерской скорости улепетывать от гиены, у нее через минуту кончится дыхание, и придется остановиться или замедлиться. Если бы от гиены спасался Усэйн Болт, он бы легко обогнал Дженни, но тоже вскоре выбился бы из сил. Различие и сходство между бегом Дженни и Болта ставит два важных вопроса. Что ограничивает максимальную скорость на коротких дистанциях? И почему мы не можем бегать одновременно и быстро, и далеко?

На очень коротких спринтерских дистанциях развиваемая скорость в основном зависит от силы и навыка. Поскольку ноги спринтера работают как пара молотов, мощно и быстро ударяющихся о землю, а (как доказал Ньютон) каждое действие вызывает равное по силе противодействие, то чем сильнее ноги спринтера ударяют о землю и отталкиваются от нее, тем сильнее противодействующая сила выталкивает тело вверх и вперед. Поэтому скорость при беге на 100 и 200 м ограничивается тем, какую силу удается развить мышцам ног бегуна за короткое мгновение (для лучших спринтеров мира это всего десятая доля секунды), когда нога на земле[240]240
  Weyand P. G., Lin J. E., Bundle M. W. Sprint performance-duration relationships are set by the fractional duration of external force application // American Journal of Physiology: Regulatory, Integrative, and Comparative Physiology. 2006. Vol. 290. Pp. R758–R765; Weyand P. G. et al. The biological limits to running speed are imposed from the ground up // Journal of Applied Physiology. 2010. Vol. 108. Pp. 950–961; Bundle M. W., Weyand P. G. Sprint exercise performance: Does metabolic power matter? // Exercise Sports Science Reviews. 2012. Vol. 40. Pp. 174–182.


[Закрыть]. Итак, Усэйн Болт преодолевает спринтерские дистанции намного быстрее, чем Дженни, главным образом потому, что его ноги гораздо сильнее ударяются о землю.

На длинных дистанциях и Болт, и Дженни быстро выбьются из сил, если не умерят темп, из-за способа, каким все организмы изо всех сил стараются быстро преобразовать питательные вещества в пригодную для использования энергию. Поэтому организм часто уподобляют двигателю внутреннего сгорания: как мотор в автомобиле сжигает бензин, так организм сжигает пищу, и, если мы бежим слишком быстро, в наших телах заканчивается «топливо», как в машине бензин, если сильно гнать ее. Правда, эта аналогия неточна, поскольку организм больше схож с электромобилем, но вместо одного емкого аккумулятора, который можно подзаряжать время от времени, клетки нашего организма используют миллионы крошечных органических батарей, требующих постоянной подзарядки.

Эти миниатюрные органические батарейки, носители энергии во всех живых организмах, называются аденозинтрифосфатами (АТФ). Как видно из названия, АТФ состоит из молекулы белка (аденозина), соединенного с тремя молекулами фосфата (атом фосфора, P, в окружении атомов кислорода, О). Эти три фосфата соединены в цепочку один поверх другого, и в химических связях между соседними фосфатами запасается энергия. Когда крайний фосфат отщепляется под действием воды, за счет разрыва его связи с соседним высвобождается крохотное количество энергии, а также один ион водорода (H+), в результате чего аденозинтрифосфат переходит в аденозиндифосфат, АДФ. Энергия на выходе питает почти все протекающие в каждой клетке процессы, в том числе возбуждает нервные клетки, продуцирует белки, сокращает мышцы. Что очень важно, маленькие батарейки АТФ способны перезаряжаться. Посредством разрыва химических связей в молекулах сахара и жиров клетки получают энергию, необходимую для восстановления АДФ до АТФ путем присоединения утраченного фосфата[241]241
  Для получения энергии организм способен также расщеплять белки, но этот процесс более редкий и включается, только когда организм испытывает дефицит жиров и сахаров. Если вам любопытно, АДФ иногда тоже может отщеплять фосфат, превращаясь в АМФ (аденозинмонофосфат) и высвобождая еще больше энергии. Однако такое происходит нечасто.


[Закрыть]. Но проблема в том, что, будь ты хоть гиеной, хоть человеком, чем быстрее ты бежишь, тем труднее организму успеть подзарядить свои АТФ-батарейки, и потому через короткое время скорость бега приходится снизить.

Для более наглядного представления о том, как работает эта фантастическая, хотя и ограничивающая нашу скорость система, измыслить которую только эволюции и было под силу, представим, что Усэйн Болт и ваш покорный слуга на просторах Африки на пару спасаемся бегством от гиены. Хотя поначалу Болт помчится куда быстрее, чем я, он тоже секунд через тридцать начнет задыхаться, поскольку и у него, и у меня АТФ перезаряжается посредством одних и тех же трех процессов (схематически показанных на рис. 11), которые задействуются последовательно в разные временные промежутки – мгновенно, на короткое время и долгосрочно, – но за счет компромисса между скоростью и выносливостью.

Рис. 11. Различные процессы, с помощью которых мышечные ткани со временем восполняют запасы АТФ. Сначала мышцы почти мгновенно получают энергию за счет имеющихся запасов АТФ и креатинфосфата (CrP), дальше энергия быстро поступает в мышцы за счет гликолиза, а потом – за счет аэробного обмена веществ, и это процесс медленный. Аэробный обмен веществ происходит в митохондриях посредством высвобождения энергии либо из пирувата (соль пировиноградной кислоты и конечный продукт гликолиза), либо из жирных кислот

Первый процесс (фосфагенная система) дает мышцам энергию быстрее всего, но на мимолетный промежуток времени. Когда Болт и я стартуем с места, в наших мышечных клетках содержится мало АТФ, чьей энергии хватило бы разве что на несколько шагов. Казалось бы, неразумно запасать такое мизерное число АТФ, но эти органические батарейки, хотя они миниатюрны и содержат всего один заряд энергии, для клеток слишком объемисты и тяжелы, чтобы производить и запасать их в больших количествах. Притом что за часовую прогулку вы расходуете 13,6 кг АТФ, а за день – количество АТФ, превышающее ваш вес, очевидно, что это слишком тяжкий груз, чтобы постоянно таскать его на себе про запас[242]242
  Gillen C. M. The Hidden Mechanics of Exercise. Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 2014.


[Закрыть]. Соответственно, организм человека в каждый отдельно взятый момент хранит в общей сложности всего около 100 г АТФ[243]243
  McArdle W. D., Katch F. I., Katch V. L. Exercise Physiology: Energy, Nutrition, and Human Performance. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2007. P. 143; Gastin P. B. Energy system interaction and relative contribution during maximal exercise // Sports Medicine Journal. 2001. Vol. 10. Pp. 725–741.


[Закрыть]. К счастью, прежде чем наши первые несколько шагов истощат скудные запасы АТФ в мышцах ног, последние быстро обратятся еще к одному высокоэнергетическому соединению, креатинфосфату (креатинфосфорной кислоте), который тоже связывается с фосфатами и запасает энергию[244]244
  Хотя обычно процесс протекает очень медленно, мышечные клетки способны поставлять фермент (креатинфосфатазу), ускоряющую его в пятьсот раз.


[Закрыть]. К сожалению, запас креатинфосфата также ограничен, за десять секунд спринтерского бега он истощается на 60 %, а после тридцати секунд окончательно иссякает[245]245
  Boobis L., Williams C., Wootton S. Human muscle metabolism during brief maximal exercise // Journal of Physiology. 1982. Vol. 338. Pp. 21–22; Nevill M. E. et al. Effect of training on muscle metabolism during treadmill sprinting // Journal of Applied Physiology. 1989. Vol. 67. Pp. 2376–2382. Обратите внимание, что интенсивные тренировки и потребление богатых креатином продуктов, скажем мяса, способны лишь ненамного увеличить запасы креатинфосфата. См.: Koch A. J., Pereira R., Machado M. The creatine kinase response to resistance training // Journal of Musculoskeletal and Neuronal Interactions. 2014. Vol. 14. Pp. 68–77.


[Закрыть]. Пусть так, но драгоценный, хотя и короткий выплеск энергии, обеспечиваемый АТФ и креатинфосфатом, дает мышцам время запустить второй процесс перезарядки за счет расщепления сахара.

Хотя сахар ассоциируется со сладостью, его первая и главная роль – служить топливом, которое организм использует для восполнения запасов АТФ посредством процесса, называемого гликолизом (составной термин от греч. glyco – сладкий и lysis – расщепление). В процессе гликолиза ферменты быстро разрезают молекулы сахара напополам, высвобождая энергию за счет разрыва этих химических связей, чтобы зарядить два АТФ[246]246
  Если быть точным, то гликолиз проходит в десять этапов, для чего требуется два АТФ на одну молекулу сахара, а на выходе получаются четыре АТФ, потому я и сказал, что чистый выход гликолиза составляет два АТФ.


[Закрыть]. Восстановление АТФ из глюкозы не требует кислорода и происходит достаточно быстро, чтобы обеспечить мышцам около половины энергии, расходуемой на первоначальный полуминутный спринт[247]247
  Bogdanis G. C. et al. Recovery of power output and muscle metabolites following 30 s of maximal sprint cycling in man // Journal of Physiology. 1995. Vol. 482. Pp. 467–480.


[Закрыть]. По большому счету организм человека в хорошей физической форме способен запасать достаточно глюкозы, чтобы пробежать почти 24 км. Но здесь кроется ловушка: в процессе гликолиза оставшиеся половинки каждой молекулы глюкозы, называемые пируватами, накапливаются в клетках быстрее, чем последние могут от них избавиться. Когда количество пируватов достигает неприемлемого уровня, каждый из них под действием ферментов разделяется на лактат (соль молочной кислоты) и ион водорода (H+). Лактат сам по себе безвреден и в итоге расходуется на восстановление АТФ, зато свободные ионы водорода повышают кислотность клеток, что вызывает усталость и боль, а также снижает работоспособность мышц[248]248
  Mazzeo R. S. et al. Disposal of blood [1-13C] lactate in humans during rest and exercise // Journal of Applied Physiology. 1986. Vol. 60. Pp. 232–241; Robergs R. A., Ghiasvand F., Parker D. Biochemistry of exercise-induced metabolic acidosis // American Journal of Physiology: Regulatory, Integrative, and Comparative Physiology. 2004. Vol. 287. Pp. R502–R516.


[Закрыть]. Примерно через тридцать секунд в ногах спринтера возникает болезненное ощущение, будто они горят огнем. Организму требуется довольно длительное время, чтобы медленно нейтрализовать кислоту и переправить избыток лактата для использования в третьем и последнем, но долгосрочном аэробном процессе производства энергии.

Для жизни необходим кислород, особенно если хочешь убежать далеко. В сущности, когда кислород используется для сжигания молекулы глюкозы, образуется в восемнадцать раз больше АТФ, чем при гликолизе. И опять же ради этого приходится кое-чем поступиться: аэробный метаболизм дает значительно больше энергии, но за гораздо большее время, поскольку требует длинной цепочки последовательных этапов и участия целой армии ферментов[249]249
  Этот процесс получил название цикла лимонной кислоты (цикла Кребса) и предполагает второй этап, называемый окислительным фосфорилированием, но, чтобы не усложнять, я их объединил.


[Закрыть]. Эти процессы протекают в специализированных образованиях внутри клеток, называемых митохондриями (энергетическими станциями клеток), причем в них сжигаются не только образующиеся из глюкозы пируваты, но и жиры, а в экстренных случаях и белки. Однако сжигание глюкозы и жиров происходит разными темпами. Хотя в моем организме достаточно жировых запасов, чтобы я смог пробежать почти 2100 км, преобразование жиров в энергию требует большего числа этапов, а значит, и больше времени, чтобы расщепить их и сжечь, чем глюкозу. В состоянии покоя организм получает около 70 % энергии от медленно сжигаемых жиров, но чем быстрее мы бежим, тем больше глюкозы должны потратить. При уровне нагрузки, соответствующей максимальному потреблению кислорода, мы сжигаем исключительно глюкозу.

Теперь мы понимаем, почему некоторые люди способны на больших расстояниях бежать быстрее остальных. Хотя Болт может в спринте достичь несравнимо большей скорости, чем я, за счет того, что в буквальном смысле сильно ударяет ногами о землю, чем дольше мы будем бежать, тем больше, вероятно, будет возрастать мое преимущество над ним, если вдруг мы решим посоревноваться. Причина в том, что аэробная система включается у каждого человека, когда он начинает физически упражняться, но максимальный уровень энергии, выдаваемый аэробной системой, очень индивидуален. Этот лимит крайне важен, он показан на рис. 12 и называется максимальным потреблением кислорода, МПК (англ. VO₂ max). Процесс измерения МПК выглядит несколько пугающе. Вам надевают маску, подсоединенную к аппарату, который измеряет потребление кислорода (как описано в главе 2), а вы в это время работаете на беговом тренажере. С увеличением скорости движения дорожки вы бежите все быстрее и потребляете все больше кислорода, пока ваша способность потреблять дополнительный кислород не выйдет на плато и вы не начнете задыхаться. При достижении этого предела, вашего МПК, вам для подпитки мышц дополнительной энергией потребуется гликолиз. Скорость выше МПК вы сможете поддерживать только очень короткое время, поскольку мышцы забиваются молочной кислотой. К счастью, ваше МПК мало влияет на скорость во время кратких всплесков максимальной мышечной активности, как, например, при спринтерском забеге продолжительностью тридцать секунд, но чем длиннее дистанция, тем важнее МПК. На стометровке аэробное (клеточное) дыхание обеспечивает вам всего 10 % расходуемой энергии; когда дистанция увеличивается до 400 м, за счет аэробного дыхания вы будете получать уже 30 % энергии, на 800 м – 60 %, а когда дистанция достигает 1,6 км – 80 %[250]250
  Maughan R. J. Physiology and biochemistry of middle distance and long distance running // Handbook of Sports Science and Medicine: Running / ed. J. A. Hawley. Oxford: Blackwell, 2000. Pp. 14–27.


[Закрыть]. Чем дальше вы бежите, тем больше ваша максимальная скорость выигрывает от высокого МПК (как мы увидим дальше, можно повысить свой МПК тренировками)[251]251
  Этот предел, который мы будем рассматривать в главе 9, во многом определяется вашими генами и вашей средой, в том числе и характером ваших тренировок.


[Закрыть].