Зачем мы бежим, или Как догнать свою антилопу. Новый взгляд на эволюцию человека

Эффективность бега зависит от нейромышечной механической координации, которая, вероятно, достигается в течение многих лет тренировок. Она видна по плавным и размеренным движениям, где нет ничего лишнего – никаких рывков вверх-вниз, боковых взмахов рук и, конечно, лишнего веса. С учетом физиологических исследований, которые я проводил с Диком Куком в Университете штата Мэн, я не мог не задаться вопросом, влияет ли метаболическая эффективность на клеточном уровне на формирование спортсмена-бегуна так же, как и механическая. Мы выращивали простейших одноклеточных Euglena gracilis

, которые передвигаются в воде, энергично пользуясь «хвостом», а точнее – жгутиком. Это виртуозы метаболизма, которые могут жить за счет солнечного света как источника энергии. Они также могут извлекать энергию из ацетата, короткой двууглеродной молекулы, которую используют и наши собственные клетки, когда мы разрушаем многоуглеродные цепочки жиров для получения энергии. Наконец, в качестве источника энергии эвгленам подходит обычная глюкоза, сахар, который мы получаем при расщеплении гликогена, накопленного в мышцах и печени.

Мы с Диком кормили эвглену, растворяя либо ацетат, либо глюкозу в водной среде, в которой они росли. Затем мы измеряли их уровень поглощения кислорода. К нашему большому удивлению, мы обнаружили, что в клетках, использующих ацетат, потребление кислорода (то есть предполагаемая скорость метаболизма) в четыре раза больше, чем в клетках, потребляющих глюкозу. Тем не менее темпы синтеза клеточных белков, темпы роста и масса клеток были одинаковыми. Когда мы давали ацетат клеткам, адаптированным к глюкозе, их дыхание поначалу не менялось. Однако после адаптации, во время которой мы выявили резкое увеличение числа ферментов, использующих ацетат, «глюкозные» клетки начали использовать большие объемы кислорода. Как в «ацетатных» клетках, так и в клетках, выращенных на глюкозе, которые мы затем промывали для измерения поглощения кислорода в отсутствие субстрата, частота дыхания была одинаковой. Наши результаты показали, что клетки, использующие ацетаты, вырабатывают столько же чистой энергии, как и «глюкозные», хотя и потребляют значительно больше кислорода. Кроме того, они создавали кислотность, которая вскоре убивала их, в то время как клетки, выращенные на глюкозе, продолжали делиться и размножаться, оставаясь здоровыми.

Я не считаю, что эти результаты напрямую применимы к бегунам. Тем не менее они показывают, что потребление кислорода, основной критерий VO₂max, не обязательно служит надежным указанием на устойчивый расход энергии клетками. Есть вероятность, что метаболическая эффективность может быть столь же важной, как и механическая.

Проходит множество этапов метаболизма, прежде чем энергия поглощенной молекулы наконец не преобразовывается в аденозинтрифосфат (АТФ) и креатинфосфат (КФ). АТФ и КФ являются непосредственными источниками энергии, используемой при мышечных сокращениях. На каждом этапе сложного процесса преобразования происходит потеря потенциальной энергии, поэтому при большом количестве метаболических шагов велика вероятность неэффективности клеток. Эта клеточная неэффективность не рассматривалась как потенциально важная переменная в спортивных достижениях. Но если она важна, то мы можем предположить куда большее разнообразие у стайеров по сравнению со спортсменами спринтерской и силовой направленности хотя бы потому, что выносливые спортсмены полагаются на митохондриальное дыхание, в котором бесконечно больше метаболических шагов, влияющих на выступление. Спринтер может бежать от трех до пяти секунд просто на ATФ, который он ранее выработал анаэробным метаболизмом в цитоплазме клеток, а не внутри митохондрий. Дальнейший анаэробный метаболизм от распада гликогена поддерживает его в течение полуминуты или даже дольше. В долгом забеге бегун на дальние дистанции должен непрерывно выполнять высокоэнергетические операции шаг за шагом от желудка (на ультрамарафонских дистанциях) до митохондрий, чтобы вырабатывать АТФ для сокращения мышц от аэробного метаболизма.