Может ли активное детство научить тело тратить меньше энергии на движение

Эксперимент на птицах показал, что нагрузка во время роста способна радикально изменить энергетическую «цену» ходьбы

Движение имеет свою энергетическую цену. Чтобы сделать шаг, недостаточно просто переместить ногу: мышцы должны развить силу, суставы — передать ее, нервная система — согласовать работу множества мышц, а сердечно-сосудистая и дыхательная системы — обеспечить этот процесс энергией.

Обычно мы почти не замечаем этой внутренней бухгалтерии. Но для организма разница существенна: энергия, потраченная на передвижение, уже не может быть использована на другие процессы.

Исследователей из Университета штата Пенсильвания заинтересовал более фундаментальный вопрос: может ли организм во время роста научиться выполнять привычное движение дешевле?

Иными словами, если растущее тело снова и снова сталкивается с повышенной механической нагрузкой, будет ли оно постепенно перестраиваться так, чтобы эта нагрузка требовала меньше энергии?

Птицам добавили вес на одну ногу на большую часть периода роста

Эксперимент был небольшим и необычным. В нем участвовали 12 цесарок — двуногих птиц, которых используют в исследованиях биомеханики ходьбы.

В возрасте двух недель животных случайным образом разделили на две группы по шесть птиц.

У одной группы на нижней части правой ноги закрепили мягко обернутую свинцовую полоску. По мере роста птиц массу корректировали. В среднем на протяжении 14 недель дополнительная нагрузка составляла около 4% массы тела.

Контрольная группа росла без нее.

Важно, что исследователи старались не превратить эксперимент в сравнение «активных» и «неактивных» животных. Обе группы содержались в одинаковых условиях и выполняли одинаковые тренировочные упражнения. Анализ передвижений по вольерам также не выявил признаков существенной разницы в обычной активности групп.

Отличался главным образом один фактор: для половины птиц дополнительная масса на правой ноге стала частью повседневной жизни во время роста.

К 16 неделям масса тела обеих групп увеличилась примерно в 14 раз, причем существенной разницы в конечной массе между ними не было.

После этого исследователи проверили, сколько энергии птицы расходуют при ходьбе.

Энергозатраты измеряли буквально по дыханию

Птиц помещали на беговую дорожку внутри специальной метаболической камеры и заставляли идти со скоростью 0,5 м/с.

Система измеряла потребление кислорода и образование углекислого газа. По этим показателям можно рассчитать скорость расходования организмом энергии.

Сначала ученые убедились, что в состоянии покоя группы существенно не отличаются. Средние энергозатраты во время стояния статистически значимо не различались.

Настоящая разница обнаружилась во время ходьбы.

К моменту испытания масса груза составляла около 3,2% массы тела птицы.

Для контрольных животных это была новая нагрузка. И она оказалась энергетически дорогой: добавление веса увеличило метаболическую стоимость ходьбы в среднем на 23,1%.

У птиц, которые росли с грузом, произошло совсем другое.

Организм практически «обнулил» энергетическую цену привычного груза

При ходьбе с одинаковой дополнительной массой птицы, привыкшие к ней во время роста, расходовали примерно на 22% меньше энергии, чем контрольные животные с таким же грузом.

Но наиболее интересным оказалось сравнение каждой группы с самой собой.

У контрольных птиц груз заметно повышал энергетические затраты.

У выросших с нагрузкой птиц средняя стоимость ходьбы с грузом оказалась даже примерно на 3% ниже, чем без него. Эта небольшая разница не была статистически значимой — то есть нельзя утверждать, что груз действительно сделал ходьбу экономичнее.

Главное другое: дополнительная масса перестала создавать обнаруживаемый средний энергетический штраф.

Более того, обычная ходьба без груза у экспериментальных птиц не стала заметно менее эффективной. Ее энергетическая стоимость практически совпадала с показателем контрольной группы.

Именно здесь происходит ключевой момент исследования.

Авторы называют достигнутую экономичность переноса нагрузки исключительно высокой по сравнению с предыдущими исследованиями локального утяжеления конечностей.

Экономичность движения — это не то же самое, что физическая форма

Здесь легко сделать слишком простой вывод: тренировка укрепила мышцы, поэтому птицам стало легче.

Но исследование говорит о более интересной возможности.

Экономичность движения описывает не максимальную силу и не выносливость как таковую. Она показывает, сколько метаболической энергии организм тратит на выполнение определенного движения.

Два организма могут совершать внешне одинаковый шаг, но энергетическая цена этого шага будет различаться.

Известно, что животные и люди уже в реальном времени склонны выбирать способы движения, снижающие энергозатраты. Мы, например, предпочитаем определенные скорости ходьбы и постепенно адаптируем движения к новым условиям.

Новая работа предполагает, что подобная оптимизация может происходить и на гораздо более длинной временной шкале — в процессе роста организма.

То есть тело может не просто выбирать более дешевое движение из уже доступных вариантов. Возможно, оно способно перестраиваться под повторяющуюся нагрузку так, чтобы само движение в будущем стало энергетически дешевле.

Что именно изменилось в организме, ученые пока не знают

Это важное ограничение исследования.

Авторы измеряли конечный результат — метаболическую стоимость ходьбы, — но не определяли механизм, благодаря которому она снизилась.

Возможных объяснений несколько.

Во-первых, могла измениться работа нервной системы. Многократное выполнение необычного движения способно улучшать координацию и управление мышцами. Организм может научиться включать нужные мышцы точнее и не расходовать энергию на лишнее напряжение.

Во-вторых, птицы могли изменить механику шага: положение конечности, траекторию ее движения или распределение работы между суставами.

В-третьих, изменения могли произойти непосредственно в мышцах и сухожилиях.

Авторы обсуждают, например, возможные изменения архитектуры мышц, длины мышечных волокон, типов волокон, способности сухожилий запасать и возвращать механическую энергию и других свойств мышечно-сухожильной системы.

Вероятно и сочетание нескольких механизмов.

Поэтому результат пока правильнее формулировать так: хроническая механическая нагрузка во время роста изменила энергетическую стоимость движения, но исследование еще не объясняет, какая именно перестройка организма обеспечила этот эффект.

Даже дополнительный груз показал следы прежнего опыта

Исследователи провели еще один любопытный тест.

Птицам, выросшим с грузом на правой ноге, добавляли еще небольшую массу — около 1,75% массы тела. Ее помещали либо на привычно нагруженную правую ногу, либо на левую, которая раньше дополнительного веса не носила.

У четырех из шести животных дополнительный груз обходился энергетически дешевле на привычно нагруженной конечности.

Однако средняя разница между двумя условиями не достигла статистической значимости.

Это не позволяет уверенно утверждать, что эффект строго локализован в одной ноге. Но наблюдение согласуется с предположением авторов, что организм мог приобрести достаточно специфическую мышечно-скелетную или нейромеханическую адаптацию к повышенной работе конечности.

От цесарок до детей — здесь находится самая опасная интерпретация

Именно эту часть исследования особенно важно не преувеличивать.

Авторы действительно обсуждают возможное значение результатов для понимания последствий физической активности в детстве. Но они прямо предупреждают против прямого переноса полученных данных на человека.

В эксперименте было всего 12 животных.

Цесарки растут намного быстрее людей.

Исследовалась ходьба с искусственно закрепленным грузом на одной конечности — это совсем не то же самое, что игры, бег, спорт или обычная физическая активность ребенка.

Наконец, метаболическую стоимость измерили только в одной точке — в возрасте 16 недель. Поэтому исследование не показывает, когда именно возникла адаптация и насколько долго она сохраняется после прекращения нагрузки.

По этой причине утверждение «активное детство навсегда делает движение легче» было бы преждевременным.

Исследование этого не доказало.

Оно показало другое — и с научной точки зрения это, пожалуй, интереснее.

Тело во время роста может учиться экономить энергию

Долгое время экономичность движения рассматривалась прежде всего как результат эволюции, анатомии и краткосрочной поведенческой адаптации.

Например, строение мышц и сухожилий животных сформировано естественным отбором так, чтобы движение не было неоправданно дорогим. Одновременно нервная система способна быстро искать более экономичный способ выполнения новой двигательной задачи.

Эксперимент добавляет к этим двум временным масштабам третий — развитие организма.

Нагрузка, регулярно возникающая во время роста, может стать сигналом, под который формирующаяся система движения подстраивает свою энергетику.

Это и есть главный научный вывод работы.

Экономичность ходьбы, возможно, не полностью фиксирована. По крайней мере у растущих цесарок она оказалась пластичным свойством, способным адаптироваться к механической истории организма.

Почему этот результат интересен для исследований человеческой активности

Если похожий принцип когда-нибудь подтвердится у людей, он может изменить взгляд на связь между детской активностью и движением во взрослом возрасте.

Есть гипотеза, согласно которой субъективная «дороговизна» движения влияет на поведение: если физическая активность требует больших усилий, человек с большей вероятностью будет ее избегать.

Тогда теоретически может возникнуть петля обратной связи.

Меньше активности в период развития → движение ощущается более затратным → во взрослом возрасте двигаться хочется еще меньше.

И наоборот, разнообразная физическая нагрузка во время роста потенциально могла бы формировать систему, для которой движение обходится дешевле.

Но пока это именно гипотеза, которую новое исследование делает интереснее для проверки, а не подтверждает применительно к человеку.

Следующий важный шаг — понять механизм. Необходимо выяснить, что именно изменилось у животных: мышцы, сухожилия, нервное управление, техника движения или сразу несколько компонентов. Затем потребуется проверить, возникает ли подобная пластичность у других видов, при других типах нагрузки и сохраняется ли она после окончания периода роста.