Fyziologie cvičení je studium akutních reakcí a chronických adaptací na širokou škálu fyzických podmínek cvičení. Kromě toho mnoho fyziologů cvičení studuje vliv cvičení na patologii a mechanismy, kterými cvičení může snížit nebo zvrátit progresi onemocnění. Akreditační programy existují s odbornými subjekty ve většině rozvinutých zemí, které zajišťují kvalitu a konzistentnost vzdělávání.
Psychologové se o tuto oblast zajímají, protože základní procesy jsou spojeny s psychologickými jevy, jako je únava, vytrvalost atd.
Oblast studia fyziologa cvičení může mimo jiné zahrnovat biochemii, bioenergetiku, kardiopulmonální funkce, hematologii, biomechaniku, fyziologii kosterního svalstva, neuroendokrinní funkci a funkci centrálního a periferního nervového systému. Dále fyziologové cvičení sahají od základních vědců, přes klinické výzkumníky, klinické lékaře až po sportovní trenéry.
Kosterní sval spálí každou minutu 90 mg (0,5 mmol) glukózy při nepřetržité činnosti (například při opakovaném natahování lidského kolena), čímž vznikne ≈24 W mechanické energie, a protože přeměna svalové energie je účinná jen z 22-26%, tak ≈76 W tepelné energie. Odpočívající kosterní sval má bazální metabolickou rychlost (spotřebu klidové energie) 0,63 W/kg, což činí 160násobný rozdíl mezi spotřebou energie neaktivních a aktivních svalů. Při krátké svalové námaze může být energetický výdej daleko větší: dospělý lidský samec při vyskočení ze dřepu mechanicky generuje 314 W/kg a takto rychlý pohyb může generovat dvojnásobek této síly u nelidských zvířat, jako jsou bonobové, a u některých malých ještěrek.
Tento energetický výdej je velmi vysoký ve srovnání s klidovou metabolickou rychlostí bazálního metabolismu dospělého lidského těla. Ta se poněkud liší velikostí, pohlavím a věkem, ale obvykle se pohybuje mezi 45 W a 85 W.
Celkový energetický výdej (TEE) v důsledku svalové výdeje energie je mnohem vyšší a závisí na průměrné úrovni fyzické práce a cvičení během dne. Cvičení, zejména pokud se udržuje po velmi dlouhou dobu, tak dominuje energetickému metabolismu těla.
kontrola glykémie:
Jak je uvedeno výše, sekrece inzulínu je snížena během cvičení a nehraje hlavní roli v euglykémii během cvičení. Inzulínové kontraregulační hormony se však objevují ve zvyšující se koncentraci během cvičení. Principem mezi nimi jsou glukagon, epinefrin a růstový hormon. Všechny tyto hormony stimulují kromě jiných funkcí také tvorbu glukózy v játrech. Například epinefrin i růstový hormon také stimulují adipocytární lipázu, která zvyšuje uvolňování nesterifikovaných mastných kyselin (NEFA). Tím, že oxidují mastné kyseliny, šetří využití glukózy a pomáhají udržovat euglykémii během cvičení.
Diabetes II. typu je také složitě spjat s obezitou a může existovat souvislost mezi diabetem II. typu a tím, jak je tuk ukládán v buňkách slinivky břišní, svalů a jater. Pravděpodobně v důsledku této souvislosti má úbytek hmotnosti způsobený cvičením i dietou tendenci zvyšovat citlivost na inzulín u většiny lidí. U některých lidí může být tento účinek zvláště silný a může vést k normální kontrole glukózy. I když nikdo není technicky vyléčen z diabetu, jedinci mohou žít normální život bez strachu z diabetických komplikací; nicméně znovunabytí hmotnosti by jistě vedlo ke známkám a příznakům diabetu.
Spotřeba kyslíku (VO2) během cvičení je nejlépe popsána Fickovou rovnicí: VO2=Q x (a-vO2diff), která uvádí, že množství spotřebovaného kyslíku se rovná srdečnímu výdeji (Q) vynásobenému rozdílem mezi arteriální a žilní koncentrací kyslíku. Zjednodušeně řečeno, spotřeba kyslíku je dána množstvím krve distribuované srdcem a také schopností pracovního svalu přijímat kyslík v této krvi; to je však trochu zjednodušené. Ačkoli se má za to, že srdeční výdej je limitujícím faktorem tohoto vztahu u zdravých jedinců, není jediným determinantem VO2 max. To znamená, že je třeba vzít v úvahu také faktory, jako je schopnost plic okysličovat krev. Různé patologie a anomálie způsobují podmínky, jako je omezení difuze, nesoulad mezi ventilací a perfuzí a plicní zkraty, které mohou omezit okysličování krve a tím i distribuci kyslíku. Důležitým determinantem rovnice je navíc i schopnost krve přenášet kyslík. Schopnost přenášet kyslík je často cílem ergogenních pomůcek používaných při vytrvalostních sportech ke zvýšení hematokritu, například prostřednictvím krevního dopingu nebo používání erytropoetinu (EPO). Periferní příjem kyslíku je navíc závislý na přesměrování průtoku krve z relativně neaktivních vnitřností do funkčních kosterních svalů a v rámci kosterního svalstva ovlivňuje poměr kapilárních a svalových vláken extrakci kyslíku.
Lidský mozek v klidu přijímá 15% celkového srdečního výdeje a spotřebuje 20% energie těla. Mozek je normálně závislý na vysokém energetickém výdeji na aerobním metabolismu. Mozek je v důsledku toho vysoce citlivý na selhání zásobování kyslíkem se ztrátou vědomí během šesti až sedmi sekund, přičemž jeho EEG se zastaví během 23 sekund. Pokud by ovlivnil zásobování mozku kyslíkem a glukózou, metabolické nároky na cvičení by proto mohly rychle narušit jeho fungování.
Ochrana mozku před sebemenším narušením je důležitá, protože cvičení závisí na motorické kontrole, a zejména, protože lidé jsou dvounožci, motorické kontrole potřebné pro udržení rovnováhy. Z tohoto důvodu je spotřeba energie mozku zvýšena během intenzivního fyzického cvičení v důsledku požadavků v motorickém poznávání potřebných pro ovládání těla.
Mozková autoregulace obvykle zajišťuje, že mozek má přednost před srdečním výdejem, i když ten je mírně narušen vyčerpávajícím cvičením. Během submaximálního cvičení se zvyšuje srdeční výdej a mozkový průtok krve se zvyšuje nad rámec kyslíkových potřeb mozku. To však neplatí pro nepřetržitou maximální námahu: „Maximální námaha je i přes zvýšení kapilární oxygenace [v mozku] spojena se sníženým obsahem mitochondriálního O2 během cvičení celého těla.“ Autonomegulace mozkového krevního zásobení je narušena zejména v teplém prostředí
U dospělých cvičení snižuje hladinu glukózy v plazmě dostupnou mozku: krátké intenzivní cvičení (35 min. ergometrický cyklus) může snížit vychytávání glukózy v mozku o 32%.
Lidé používají termoregulaci potu pro tělesnou tepelnou clearance, zejména k odstranění tepla produkovaného při cvičení. Mírná dehydratace v důsledku cvičení a teplo je hlášeno zhoršení poznávání. Tyto poruchy mohou začít po ztrátě tělesné hmoty, která je větší než 1%. Kognitivní poruchy, zejména v důsledku tepla a cvičení je pravděpodobné, že v důsledku ztráty integrity na hematoencefalickou bariéru. Hypertermie také může snížit mozkový průtok krve, a zvýšit teplotu mozku.
Cvičené kosterní svalstvo produkuje amoniak. Tento amoniak přijímá mozek v poměru ke své arteriální koncentraci. Vzhledem k tomu, že vnímaná námaha souvisí s takovým hromaděním amoniaku, mohlo by to být faktorem pocitu únavy.
Kombinovaná exacerbace
Tyto metabolické důsledky cvičení mohou navzájem zhoršit negativní neurologické účinky. Například vychytávání amoniaku mozkem je větší s deplecí glukózy (hladiny amoniaku v mozkomíšním moku: odpočinek, pod 2 μmol min−1 detekční hladina; po 3 hodinách cvičení s suplementací glukózy, 5,3 μmol min−1, bez suplementace glukózy, 16,1 μmol min−1). Účinky dehydratace jsou větší a dochází k nim při nižším prahu v horkém prostředí.
Výzkumníci kdysi připisovali únavu nahromadění kyseliny mléčné ve svalech. Tomu se však již nevěří. Laktát totiž může zastavit svalovou únavu tím, že udržuje svaly plně reagující na nervové signály. Hlavním faktorem určujícím výkonnost cvičení, alespoň během krátkého velmi intenzivního cvičení, je naopak zajištění dostupného přísunu kyslíku a energie a poruchy homeostázy svalových iontů.
Dorando Pietri málem zkolaboval v cíli maratonu na olympijských hrách v Londýně 1908
Tim Noakes, založený na dřívější myšlence nositele Nobelovy ceny za fyziologii nebo medicínu Archibalda Hilla z roku 1922, navrhl existenci centrálního guvernéra. V něm mozek průběžně upravuje výkon svalů během cvičení s ohledem na bezpečnou úroveň námahy. Tyto neurální výpočty zohledňují předchozí délku namáhavého cvičení, plánovanou délku další námahy a současný metabolický stav těla. Tím se upravuje počet aktivovaných motorických jednotek kosterního svalstva a subjektivně se prožívá jako únava a vyčerpání. Myšlenka centrálního guvernéra odmítá dřívější myšlenku, že únava je způsobena pouze mechanickým selháním cvičících svalů („periferní únava“). Místo toho mozek modeluje metabolické limity těla, aby zajistil ochranu celé tělesné homeostázy, zejména aby srdce přestalo vyvíjet
myokardiální ischemii, a vždy je zachována nouzová rezerva. Myšlenka centrálního guvernéra byla zpochybněna, protože „fyziologické katastrofy“ mohou nastat a dochází k nim, což naznačuje, že sportovci (jako Dorando Pietri, Jim Peters a Gabriela Andersen-Schiess) mohou „centrálního guvernéra“ přetlačit.
Únava při cvičení byla také navržena, aby byla způsobena:
Dlouhodobé cvičení, jako jsou maratony, může zvýšit srdeční biomarkery, jako jsou troponin, B-natriuretický peptid (BNP) a albumin modifikovaný ischemií. To může být zdravotnickým personálem mylně interpretováno jako známky ischemie myokardu, nebo srdeční dysfunkce. Za těchto klinických podmínek jsou takové srdeční biomarkery produkovány nevratným poraněním svalů. Naopak procesy, které je vytvářejí po namáhavé námaze při vytrvalostních sportech, jsou reverzibilní, jejich hladiny se vracejí k normálu během 24 hodin (další výzkum je však stále nutný).
Lidé jsou speciálně uzpůsobeni k tomu, aby vykonávali dlouhotrvající namáhavou svalovou aktivitu (například efektivní dálkový dvounohý běh). Tato schopnost vytrvalostního běhu se vyvinula tak, aby umožňovala dobíhání zvěře vytrvalým pomalým, ale konstantním pronásledováním po mnoho hodin.
Ústředním faktorem úspěchu je schopnost lidského těla, na rozdíl od zvířat, která loví, účinně odstraňovat odpadní svalové teplo. U většiny zvířat se toto ukládá tak, že se dočasně zvýší tělesná teplota. To jim umožňuje uniknout před zvířaty, která za nimi rychle a po krátkou dobu spěchají (způsobem, jakým téměř všichni dravci loví svou kořist). Lidé na rozdíl od jiných zvířat, která loví kořist, odstraňují teplo specializovanou termoregulací založenou na odpařování potu. Jeden gram potu může odstranit 2 598 J tepelné energie. Dalším mechanismem je zvýšený průtok krve pokožkou během cvičení, který umožňuje větší konvektivní tepelné ztráty, jež jsou podpořeny vzpřímeným postojem. Toto chlazení na bázi pokožky se podílí na tom, že lidé získávají zvýšený počet potních žláz v kombinaci s nedostatkem tělesné srsti, která by jinak zastavila cirkulaci vzduchu a efektivní odpařování. Protože člověk může odstranit teplo z cvičení, může se vyhnout únavě z vyčerpání z tepla, která ovlivňuje zvířata pronásledovaná při vytrvalém lovu, a tak je nakonec chytí, když se unaví z vyčerpání z tepla v důsledku toho, že jsou nuceni se neustále pohybovat.
Selektivní chovné pokusy s hlodavci
Hlodavci byli speciálně vyšlechtěni pro cvičební chování nebo výkon v několika různých studiích. Například laboratorní potkani byli vyšlechtěni pro vysoký nebo nízký výkon na motorizovaném běžeckém pásu s elektrickou stimulací jako motivací. Vysoce výkonná řada potkanů také vykazuje zvýšené dobrovolné chování při běhu na kole ve srovnání s linkou s nízkou kapacitou. V experimentálním evolučním přístupu byly vyšlechtěny čtyři replikované linie laboratorních myší pro vysokou úroveň dobrovolného cvičení na kolech, zatímco čtyři další kontrolní linie jsou udržovány šlechtěním bez ohledu na množství běhu na kole. Tyto vybrané linie myší také vykazují zvýšenou odolnost při testech nucené odolnosti na motorizovaném běžeckém pásu. Ani v jednom z experimentů výběru však nebyly stanoveny přesné příčiny únavy během nuceného nebo dobrovolného cvičení.
Cvičením vyvolaná bolest svalů
Fyzická námaha může způsobit bolest jak jako okamžitý bolestivý účinek, který může být důsledkem stimulace volných nervových zakončení nízkým pH, tak i opožděný nástup bolestivosti svalů. Opožděná bolestivost je v zásadě důsledkem ruptur ve svalu, i když zřejmě nezahrnuje rupturu celých svalových vláken.
Vzdělání v cvičení fyziologie
Osnovy pro fyziologii cvičení zahrnují biologii, chemii a aplikované vědy. Účelem předmětů vybraných pro tento obor je mít odborné znalosti o anatomii člověka, fyziologii člověka a fyziologii cvičení. Zahrnuje výuku svalové a kosterní anatomie; molekulární a buněčný základ svalové kontrakce; využití paliva; neurofyziologii motorické mechaniky; systémové fyziologické reakce (dýchání, průtok krve, endokrinní sekrety a další); únavu a vyčerpání; trénink svalů a těla; fyziologii specifických cvičení a aktivit; fyziologii zranění; a dopady postižení a nemocí. Nejen, že je k dokončení studia fyziologie cvičení nutný kompletní rozvrh tříd, ale jsou vyžadovány minimální hodiny praxe a doporučují se stáže.