От чего зависит сила мышц? (анатомические факторы)

Описаны анатомические факторы, от которых зависит сила скелетных мышц человека: площадь поперечного сечения мышц и количество мышечных волокон. Рассмотрены показатели, определяющие величину площади поперечного сечения мышц: уровень тренированности, композиция мышечных волокон, пол, возраст. Рассмотрено влияние тренировки на анатомические факторы, определяющие силу скелетных мышц человека.

От чего зависит сила мышц? (анатомические факторы)

Давайте разберем первую группу факторов, а именно анатомические факторы, определяющие силу скелетных мышц человека.

Площадь поперечного сечения мышцы (S_М)

Основным анатомическим фактором, определяющим силу скелетной мышцы является ее площадь поперечного сечения. Что это означает? Если мышцу разрезать поперек в самом толстом месте и измерить площадь, это и будет площадь поперечного сечения мышцы.

Раньше площадь поперечного сечения мышц можно было измерить только на трупах. Теперь для этого используют компьютерную томографию (КТ) или магнитно-резонансную томографию (МРТ). На рис. 1 представлено поперечное сечение плеча человека, полученное посредством компьютерной томографии. Буквами BB отмечена площадь поперечного сечения двуглавой мышцы плеча (m. biceps brachii).

То, что сила мышцы тесно связана с площадью ее поперечного сечения  поняли уже давно. В биомеханике известен принцип Вебера «Сила мышцы при прочих равных условиях пропорциональна ее поперечному сечению». Собственно и мы, когда видим человека с хорошо развитой мускулатурой, понимаем, что это, вероятно, сильный человек, так как он имеет крупные, развитые мышцы.

Теперь зададим себе вопрос: «А от чего зависит площадь поперечного сечения мышцы?»

Вы знаете, что основным компонентом скелетной мышцы являются мышечные волокна. Поэтому площадь поперечного сечения мышцы в основном будут определять два показателя:

• площадь поперечного сечения мышечных волокон (S_МВ);
• количество мышечных волокон (n_МВ).

То есть с определенным приближением можно записать:

S_М= S_{МВ х} n_МВ, или, другими словами:

Площадь поперечного сечения мышцы (S_М) = площадь поперечного сечения мышечного волокна (S_МВ) х количество мышечных волокон (n_МВ).

То есть чем больше будет площадь поперечного сечения мышечных волокон и чем больше будет их количество, тем больше будет площадь поперечного сечения мышц.

Теперь разберем каждый из этих факторов.

Площадь поперечного сечения мышечных волокон

Ученые установили, что чем больше площадь поперечного сечения мышечного волокна (то есть, чем оно толще), тем большую силу оно способно развить. Это связано с тем, что в мышечных волокнах есть сократительные элементы – миофибриллы. Миофибриллы представляют из себя длинные тонкие нити, в которых проходит процесс сокращения.

Чем больше миофибрилл в мышечном волокне и чем они толще, тем больше площадь поперечного сечения мышечного волокна и тем оно сильнее.

То есть снова можно записать:

S_МВ= S_{МФ х} n_МФ, или, другими словами:

Площадь поперечного сечения мышечного волокна (S_МВ) = площадь поперечного сечения миофибриллы (S_МФ) х количество миофибрилл (n_МФ).

Это означает, что чем больше площадь поперечного сечения миофибрилл и чем больше их количество, тем больше площадь поперечного сечения мышечных волокон.

Площадь поперечного сечения мышечных волокон определяют следующие факторы:

• уровень тренированности;
• композиция мышечных волокон;
• пол;
• возраст.

Влияние тренировки на площадь поперечного сечения мышечных волокон

Установлено, что у не занимающихся физической культурой и спортом диаметр мышечных волокон равен 20 – 80 мкм, следовательно, площадь поперечного сечения мышечных волокон варьирует от 300 мкм² до 5000 мкм². У пауэрлифтеров и тяжелоатлетов площадь поперечного сечения мышечных волокон значительно больше – 10000-15000 мкм². Самая большая площадь поперечного сечения мышечных волокон у спортсменов, занимающихся бодибилдингом. Она может достигать 20000 мкм². Доказано, что в мышечных волокнах спортсменов, занимающихся силовой тренировкой больше миофибрилл и они значительно толще, чем у не занимающихся физической культурой и спортом.

Композиция мышечных волокон

Известно, что  мышечные волокна бывают разных типов. Мышечные волокна типа I – медленные и площадь их поперечного сечения в двуглавой мышце плеча составляет у людей не занимающихся физической культурой и спортом 3990 мкм², мышечные волокна типа II – быстрые и сильные. Площадь поперечного сечения мышечных волокон II типа значительно больше, чем у медленных мышечных волокон и составляет в двуглавой мышце плеча 4580 мкм². Тип мышечных волокон в наших мышцах задан генетически и изменить его нельзя. Никакая тренировка не может повлиять на процентное соотношение в мышцах мышечных волокон типа I и типа II. Поэтому в видах спорта, где нужно в первую очередь проявление силы, нужно отбирать спортсменов с большим количеством быстрых мышечных волокон, а в видах спорта, где в первую очередь необходимо проявление выносливости, нужно отбирать спортсменов с большим количеством медленных мышечных волокон.

Пол

Конечно, пол существенно влияет на площадь поперечного сечения мышечных волокон. По данным J.D. MacDougall et al. (1984) площадь поперечного сечения мышечных волокон мужчин составляет 6700 мкм². По данным D.J.Sale et al (1987) у женщин этот показатель равен 4112 мкм².

Возраст

Понятно, что у детей площадь поперечного сечения мышечных волокон маленькая. Поэтому и мышцы у них маленькие. С возрастом мышцы становятся крупнее и достигают своего максимума у нетренированных людей в возрасте 17-25 лет. После этого в течение достаточного долгого периода объем мышц человека не меняется. Однако доказано, что после 60 лет в мышцах человека начинаются происходить изменения. Площадь поперечного сечения мышц становится меньше. Это происходит из-за того, что уменьшается количество быстрых мышечных волокон и их площадь поперечного сечения становится сопоставимой с площадью поперечного сечения мышечных волокон типа I.

Теперь поговорим о количестве мышечных волокон.

Количество мышечных волокон (n_МВ)

Количество мышечных волокон – это очень важный анатомический фактор, который определяет силу мышц.  Чем больше волокон содержит мышца, тем большую силу она способна проявить при прочих равных условиях.

Количество волокон в мышцах различно. В двуглавой мышце плеча количество мышечных волокон составляет около 300 тысяч, в четырехглавой мышце — 600 тысяч, прямая мышца бедра содержит несколько десятков тысяч волокон, а икроножная – более миллиона! Следует помнить, что количество волокон в мышце – это генетически заданный фактор.

На количество мышечных волокон сильно влияет ход мышечных волокон в мышце (параллельный или перистый). В перистых мышцах в том же объеме, что и в мышцах параллельного типа «упаковано» больше мышечных волокон. Поэтому считается, что перистые мышцы более сильные, а мышцы с параллельным ходом мышечных волокон – более быстрые.

Влияние тренировки на показатели, определяющие силу мышц

Доказано, что тренировка на развитие силы мышцы приводит к увеличению площади ее поперечного сечения. Возрастание этого показателя происходит за счет увеличения площади поперечного сечения мышечных волокон (гипертрофии мышечных волокон). Увеличения количества мышечных волокон (гиперплазии) в мышце не наблюдается.

Литература

1. Самсонова А.В. Гипертрофия скелетных мышц человека.– СПб: Кинетика, 2018.– 159 с.
2. Бегун П.И., Самсонова А.В. Биомеханика опорно-двигательного аппарата человека: Монография.– СПб: Кинетика, 2020.– 179 с.
3. MacDougall J.D., Sale D.G., Alway S.E., Sutton J.R. Muscle fiber number in biceps brachii in bodybuilders and control subjects // Journal Applied Physiology, 1984. V 57. № 5. P. 1399-1403.
4. Sale D.J., MacDougall J.D., Alway S.E. Sutton J.R. Voluntary strength and muscle characteristics in untrained men and women and male bodybuilders // Journal of Applied Physiology. 1987. V.62. N 5. P. 1786-1793.

С уважением, А.В. Самсонова