Некоторые аспекты влияния экстремальных климатических факторов на физическую работоспособность спортсменов

Профессиональным спортсменам часто приходится участвовать в соревнованиях в климатических условиях, отличающихся от оптимальных или привычных для их места проживания. В связи с этим представляется актуальным вопрос о том, как пограничные и экстремальные внешние условия (низкие и высокие температуры окружающей среды, изменения атмосферного давления, высота над уровнем моря) влияют на спортивную производительность и выносливость. В обзоре представлены биохимические механизмы, лежащие в основе адаптации спортсменов к условиям окружающей среды. Человеческий организм поддерживает достаточно постоянную внутреннюю температуру (в некоторых статьях — ядра) тела на уровне 37 ± 1 ºС на протяжении всей своей жизни, несмотря на широкий диапазон параметров окружающей среды. Интенсивность процессов, обеспечивающих выделение тепла, регулируется рефлекторно. Нейроны, отвечающие за тепловой обмен, расположены в центре терморегуляции гипоталамуса. В ходе эволюции млекопитающие выработали разнообразные механизмы регуляции температуры тела, включая нервную и гуморальную, влияющие на энергетический обмен и поведенческие реакции. Выделяют два способа теплообразования: сократительный термогенез, обусловленный сокращениями скелетной мускулатуры (частный случай — холодовая мышечная дрожь), и несократительный — когда активизируются процессы клеточного метаболизма: липолиз (в частности, бурой жировой ткани) и гликолиз. При воздействии экстремальных температур окружающей среды терморегуляторная система приспосабливается к поддержанию стабильной внутренней температуры тела путем предотвращения потери тепла и увеличения теплопродукции в холодных условиях, или повышением теплоотдачи, если температура окружающей среды увеличивается. Температура окружающей среды, соответствующая 20–25 ºС на суше и 30–35 ºС в воде, считается термонейтральной для человека в состоянии относительного покоя. Однако любые отклонения от этих условий, особенно на фоне интенсивных физических упражнений, могут приводить к функциональному перенапряжению, снижению выносливости и спортивной производительности.

1. Burtscher M., Gatterer H., Burtscher J., Mairbaurl H. Extreme Terrestrial Environments: Life in Thermal Stress and Hypoxia. A Narrative Review. Front. Physiol. 2018;9:572. https://doi.org/10.3389/fphys.2018.00572

2. Brocherie F., Girard O., Millet G. P. Emerging Environmental and Weather Challenges in Outdoor Sports. Climate. 2015;3(3):492–521. https://doi.org/10.3390/cli3030492

3. Akerman A.P., Tipton M., Minson C.T., Cotter J.D. Heat stress and dehydration in adapting for performance: Good, bad, both, or neither? Temperature (Austin). 2016;3(3):412–436. https://doi.org/10.1080/23328940.2016.1216255

4. Racinais S., Cocking S., Periard J. D. Sports and environmental temperature: from warming-up to heating-up. Temperature (Austin). 2017;4(4):227–257. https://doi.org/10.1080/23328940.2017.1356427

5. Henstridge D.C., Febbraio M.A., Hargreaves M. Heat shock proteins and exercise adaptations. Our knowledge thus far and the road still ahead. J Appl. Physiol. 2016;120(6):683–691. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00811.2015

6. Chung N., Park J., Lim K. The effects of exercise and cold exposure on mitochondrial biogenesis in skeletal muscle and white adipose tissue. J. Exerc. Nutrition Biochem. 2017;21(2):39–47. https://doi.org/10.20463/jenb.2017.0020

7. Goto K. Responses of muscle mass, strength and gene transcripts to long-term heat stress in healthy human subjects. Eur. J. Appl. Physiol. 2011;111(1):17–27; http://doi.org/10.1007/s00421-010-1617-1

8. Kakigi R. Heat stress enhances mTOR signaling after resistance exercise in human skeletal muscle. J. Physiol. Sci. 2011;61(2):131–140. http://doi.org/10.1007/s12576-010-0130-y

9. Chen T.I., Tsai P.H., Lin J.H., Lee N.Y., Liang M.T. Effect of short-term heat acclimation on endurance time and skin blood flow in trained athletes. Open Access J. Sports. Med. 2013;4:161–170. http://doi.org/10.2147/OAJSM.S45024

10. Gaoua N., de Oliveira R.F., Hunter S. Perception, Action, and Cognition of Football Referees in Extreme Temperatures: Impact on Decision Performance. Front. Psychol. 2017;8:1479. http://doi.org/10.3389/fpsyg.2017.01479

11. Charlot K., Faure C., Antoine-Jonville S. Influence of Hot and Cold Environments on the Regulation of Energy Balance Following a Single Exercise Session: A Mini-Review. Nutrients. 2017;9(6):592. http://doi.org/10.3390/nu9060592

12. Cowell S.A., Stocks J.M., Evans D.G., Simonson S.R., Greenleaf J.E. The exercise and environmental physiology of extravehicular activity. Aviat. Space Environ. Med. 2002;73(1):54– 67.

13. Wasse L.K., King J.A., Stensel D.J., Sunderland C. Effect of ambient temperature during acute aerobic exercise on short-term appetite, energy intake, and plasma acylated ghrelin in recreationally active males. Appl. Physiol. Nutr. Metab. 2013;38(8):905–909. http://doi.org/10.1139/apnm-2013-0008

14. Shorten A.L., Wallman K.E., Guelfi K.J. Acute effect of environmental temperature during exercise on subsequent energy intake in active men. Am. J. Clin. Nutr. 2009;90(5):1215–1221. http://doi.org/10.3945/ajcn.2009.28162

15. Cheung S.S., Lee J.K.W., Oksa J. Thermal stress, human performance, and physical employment standards. Appl. Physiol. Nutr. Metab. 2016;41(6 Suppl 2):S148-S164. https://doi.org/10.1139/apnm-2015-0518

16. Kojima C., Sasaki H., Tsuchiya Y., Goto K. The influence of environmental temperature on appetite-related hormonal responses. J. Physiol. Anthropol. 2015;34(1):22. https://doi.org/10.1186/s40101-015-0059-1

17. Laursen T.L., Zak R.B., Shute R.J., Heesch M.W.S., Dinan N.E., Bubak M.P., La Salle D.B., Slivka D.R. Leptin, adiponectin, and ghrelin responses to endurance exercise in different ambient conditions. Temperature (Austin). 2017;4(2):166–175. https://doi.org/10.1080/23328940.2017.1294235

18. Faure C., Charlot K., Henri S., Hardy-Dessources M.-D., Hue O., Antoine-Jonville S. Effect of heat exposure and exercise on food intake regulation: A randomized crossover study in young healthy men. Metabolism. 2016;65(10):1541–1549. https://doi.org/10.1016/j.metabol.2016.07.004

19. Saunders P.U., Garvican-Lewis L.A., Chapman R.F., Periard J.D. Special Environments: Altitude and Heat. Int. J. Sport Nutr. Exerc. Metab. 2019;29(2):210–219. https://doi.org/10.1123/ijsnem.2018-0256

20. Periard J.D., Racinais S. Performance and pacing during cycle exercise in hyperthermic and hypoxic conditions. Med. Sci. Sports Exerc. 2016;48(5):845–853. https://doi.org/10.1249/MSS.0000000000000839

21. Tyler C.J., Reeve T., Hodges, G.J., Cheung S.S. The effects of heat adaptation on physiology, perception and exercise performance in the heat: A meta-analysis. Sports Med. 2016;46(11):1699– 1724. https://doi.org/10.1007/s40279-016-0538-5

22. Смирнова М.Д., Свиридова О.Н., Фофанова Т.В., Ланкин В.З., Коновалова Г.Н., Тихазе А.К. Влияние летней жары на качество жизни, состояние гемодинамики, электролитного баланса и окислительного стресса у больных с умеренным и высоким риском сердечно-сосудистых осложнений и больных ИБС. Русский Медицинский Журнал. 2014;22(18):1320–1324.

23. Wright H., Selkirk G., McLellan T. HPA and SAS responses to increasing core temperature during uncompensable exertional heat stress in trained and untrained males. Eur. J. Appl. Physiol. 2010;108(5):987–997. http://doi.org/10.1007/s00421-009-1294-0

24. Куликов В.П., Кузнецова Д.В., Заря А.Н. Цереброваскулярная и кардиоваскулярная СО2-реактивность в патогенезе артериальной гипертензии. Артериальная гипертензия. 2017; 23(5):433–446. https://doi.org/10.18705/1607-419X-2017-23-5-433-446

25. Dokladny K., Zuhl M.N., Moseley P.L. Intestinal epithelial barrier function and tight junction proteins with heat and exercise. J. Appl. Physiol. 2015;120(6):692–701. http://doi.org/10.1152/japplphysiol.00536.2015

26. Leyk D., Hoitz J., Becker C., Glitz K.J., Nestler K., Piekarski C. Health Risks and Interventions in Exertional Heat Stress. Dtsch. Arztebl. Int. 2019;116(31–32):537–544. http://doi.org/10.3238/arztebl.2019.0537

27. Daanen H.A.M., Racinais S., Periard J.D. Heat acclimation decay and re-induction: A systematic review and metaanalysis. Sports Med. 2018;48(2):409–430. http://doi.org/10.1007/s40279-017-0808-x

28. Leonard W.R., Sorensen M.V., Galloway V.A., Spencer G.J., Mosher M.J., Osipova L., Spitsyn V.A. Climatic influences on basal metabolic rates among circumpolar populations. Am. J. Hum. Biol. 2002;14(5):609–620. http://doi.org/10.1002/ajhb.10072

29. White L.J., Dressendorfer R.H., Holland E., McCoy S.C., Ferguson M.A. Increased caloric intake soon after exercise in cold water. Int. J. Sport Nutr. Exerc. Metab. 2005;15(1):38–47. http://doi.org/10.1123/ijsnem.15.1.38

30. Crabtree D.R., Blannin A.K. Effects of exercise in the cold on Ghrelin, PYY, and food intake in overweight adults. Med. Sci. Sports Exerc. 2015;47(1):49–57. http://doi.org/10.1249/MSS.0000000000000391

31. Zeyl A., Stocks J.M., Taylor N.A.S., Jenkins A.B. Interactions between temperature and human leptin physiology in vivo and in vitro. Eur. J. Appl. Physiol. 2004;92(4-5):571–578. http://doi.org/10.1007/s00421-004-1084-7

32. van der Lans A. A., Hoeks J., Brans B., Vijgen G.H., Visser M.G., Vosselman M.J., et al. Cold acclimation recruits human brown fat and increases nonshivering thermogenesis. J. Clin. Invest. 2013;123(8):3395–3403. http://doi.org/10.1172/JCI68993

33. Сastellani J.W., Tipton M.J. Cold stress effects on exposure tolerance and exercise performance. Compr. Physiol. 2015;6(1):443– 469. http://doi.org/10.1002/cphy.c140081

34. Brazaitis M., Eimantas N., Daniuseviciute L., Baranauskiene N., Skrodeniene E., Skurvydas A. Time course of physiological and psychological responses in humans during a 20-day severe-cold-acclimation programme. PLoS One. 2014;9(4):e94698. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0094698

35. Opichka M., Shute R., Marshall K., Slivka D. Effects of exercise in a cold environment on gene expression for mitochondrial biogenesis and mitophagy. Cryobiology. 2019;90:47–53. http://doi.org/10.1016/j.cryobiol.2019.08.007

36. Shute R.J., Heesch M.W., Zak R.B., Kreiling J.L., Slivka D.R. Effects of exercise in a cold environment on transcriptional control of PGC-1α . Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 2018;314(6):R850–R857. http://doi.org/10.1152/ajpregu.00425.2017

37. Islam H., Edgett B.A., Gurd B.J. Coordination of mitochondrial biogenesis by PGC-1α in human skeletal muscle: A reevaluation. Metabolism. 2018;79:42–51. http://doi.org/10.1016/j.metabol.2017.11.001

38. Rao R.R., Long J.Z., White J.P. Meteorin-like is a hormone that regulates immune-adipose interactions to increase beige fat thermogenesis. Cell. 2014;157(6):1279–1291. http://doi.org/10.1016/j.cell.2014.03.065

39. Panati K., Suneetha Y., Narala V.R. Irisin/FNDC5–An updated review. Eur. Rev. Med. Pharmacol. Sci. 2016;20(4):689–697.

40. Cao R.Y., Zheng H., Redfearn D., Yang J. FNDC5: A novel player in metabolism and metabolic syndrome. Biochimie. 2019;158:111–116. http://doi.org/10.1016/j.biochi.2019.01.001

41. Sato T., Nemoto T., Hasegawa K., Ida T., Kojima M. A new action of peptide hormones for survival in a low-nutrient environment. Endocr. J. 2019;66(11):943–952. http://doi.org/10.1507/endocrj.EJ19-0274.

42. Schalt A., Johannsen M.M., Kim J., Chen R., Murphy C.J., Coker M.S., et al. Negative Energy Balance Does Not Alter Fat-Free Mass During the Yukon Arctic Ultra-the Longest and the Coldest Ultramarathon. Front. Physiol. 2018;9:1761. http://doi.org/10.3389/fphys.2018.01761

43. Coker R.H., Weaver A.N., Coker M.S., Murphy C.J., Gunga H.C., Steinach M. Metabolic Responses to the Yukon Arctic Ultra: Longest and Coldest in the World. Med. Sci. Sports Exerc. 2017;49(2):357–362. http://doi.org/10.1249/MSS.0000000000001095

44. Kennedy M.D., Faulhaber M. Respiratory Function and Symptoms Post Cold Air Exercise in Female High and Low Ventilation Sport Athletes. Allergy Asthma Immunol. Res. 2018;10(1):43–51. http://doi.org/10.4168/aair.2018.10.1.43

45. Bowes H., Eglin C.M., Tipton M.J., Barwood M.J. Swim performance and thermoregulatory effects of wearing clothing in a simulated cold-water survival situation. Eur. J. Appl. Physiol. 2016;116(4):759–767. http://doi.org/10.1007/s00421-015-3306-6

46. Bierens J.J., Lunetta P., Tipton M., Warner D.S. Physiology of Drowning: A Review. Physiology (Bethesda). 2016;31(2):147– 166. http://doi.org/10.1152/physiol.00002.2015

47. Taylor N.A., Machado-Moreira C.A., van den Heuvel A.M., Caldwell J.N. Hands and feet: physiological insulators, radiators and evaporators. Eur. J. Appl. Physiol. 2014;114(10):2037– 2060. http://doi.org/10.1007/s00421-014-2940-8.

48. Ханферьян Р.А., Радыш И.А., Суровцев В.В., Коростелева М.М., Алешина И.В. Значение физической активности в регуляции противовирусного иммунитета. Спортивная медицина: наука и практика. 2020;10(3):27–39. https://doi.org/10.47529/2223-2524.2020.3.27

49. Watkins S.L., Castle P., Mauger A.R., Sculthorpe N., Fitch N., Aldous J. The effect of different environmental conditions on the decision-making performance of soccer goal line officials. Res. Sports Med. 2014;22(4):425–437. https://doi.org/10.1080/15438627.2014.948624

50. McLean B.D., Buttifant D., Gore C.J., White K., Liess C., Kemp J. Physiological and performance responses to a preseason altitude-training camp in elite team-sport athletes. Int. J. Sports Physiol. Perform. 2013;8(4):391–399. https://doi.org/10.1123/ijspp.8.4.391

51. Hauser A., Troesch S., Saugy J.J., Schmitt L., Cejuela-Anta R., Faiss R., et al. Individual hemoglobin mass response to normobaric and hypobaric “live high-train low”: A one-year crossover study. J. Appl. Physiol. 2017;123(2):387–393. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00932.2016

52. Sharma A.P., Saunders P.U., Garvican-Lewis L.A., Clark B., Welvaert M., Gore C.J., Thompson K.G. Improved performance in national-level runners with increased training load at 1600 and 1800 m. Int. J. Sports Physiol. Perform. 2019;14(3):286– 295. https://doi.org/10.1123/ijspp.2018-0104

53. Mairbaurl H., Weber R.E. Oxygen transport by hemoglobin. Compr. Physiol. 2012;2(2):1463–1489. https://doi.org/10.1002/cphy.c080113

54. Kacimi R., Richalet J. P., Corsin A., Abousahl I., Crozatier B. Hypoxia-induced downregulation of beta-adrenergic receptors in rat heart. J. Appl. Physiol. 1992;73(4):1377–1382. https://doi.org/10.1152/jappl.1992.73.4.1377

55. Hardie D.G., Ross F.A., Hawley S.A. AMPK: a nutrient and energy sensor that maintains energy homeostasis. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2012;13(4):251–262. https://doi.org/10.1038/nrm3311

56. Matu J., Gonzalez J.T., Ispoglou T., Duckworth L., Deighton K. The effects of hypoxia on hunger perceptions, appetite-related hormone concentrations and energy intake: A systematic review and meta-analysis. Appetite. 2018;125:98–108. https://doi.org/10.1016/j.appet.2018.01.015

57. Heikura I.A., Burke L.M., Bergland D., Uusitalo A.L.T., Mero A.A., Stellingwerff T. Impact of energy availability, health, and sex on hemoglobin-mass responses following live-high-train-high altitude training in elite female and male distance athletes. Int. J. Sports Physiol. Perform. 2018;13(8):1090–1096. https://doi.org/10.1123/ijspp.2017-0547

58. Woods A.L., Sharma A.P., Garvican-Lewis L.A., Saunders P.U., Rice A.J., Thompson K.G. Four weeks of classical altitude training increases resting metabolic rate in highly trained middle-distance runners. International Journal of Sport Nutrition and Exercise Metabolism. 2017;7(1):83–90. https://doi.org/10.1123/ijsnem.2016-0116

59. Garvican-Lewis L.A., Vuong V.L., Govus A.D., Peeling P., Jung G., Nemeth E., et al. Intravenous Iron Does Not Augment the Hemoglobin Mass Response to Simulated Hypoxia. Med. Sci. Sports Exerc. 2018;50(8):1669–1678. https://doi.org/10.1249/MSS.0000000000001608

60. Gibson O.R., Taylor L., Watt P.W., Maxwell N.S. Cross-Adaptation: Heat and Cold Adaptation to Improve Physiological and Cellular Responses to Hypoxia. Sports Med. 2017;47(9):1751– 1768. https://doi.org/10.1007/s40279-017-0717-z