Эпигенетика в легкой атлетике, или в кого нас превращает бег?

 

В последние годы в научном мире не просто возникла новая наука эпигенетика, она буквально вспыхнула словно сверхновая. Количество исследований по ней за последние годы просто не поддается счету. Ну, естественно же, не обошла она стороной и спорт, а в частности, легкую атлетику. Но прежде чем начать обсуждение вопроса – «что с нами происходит с годами тренировок и почему?», следует для начала разобраться – что же такое эпигенетика.

Самое точное определение понятия «эпигенетика» принадлежит нобелевскому лауреату, английскому биологу Питеру Медавару: «Генетика предполагает, а эпигенетика располагает».  Всем ли из нас известно, что каждая наша клетка обладает памятью? В них сохраняется не только информация о том, что вы обычно едите на завтрак, но и какими продуктами питалась ваша мать во время беременности, и сколько литров пива выпил ваш отец, учась в институте. В клеточной памяти есть информация, с какими вирусами вы имели дело, и какие эмоции вы испытывали в детстве чаще всего. Во многом благодаря клеточной памяти мы не похожи на бабуина, хотя имеем с ним примерно одинаковый состав генома. И эту удивительную особенность наших клеток помогла понять наука эпигенетика.

Эпигенетика — довольно молодое направление современной науки, и пока она не так широко известна, как ее «родная сестра» генетика. В переводе с греческого приставка «эпи-» означает «над», «выше», «поверх». Если генетика изучает процессы, которые ведут к изменениям в наших генах, в ДНК, то эпигенетика исследует изменения активности генов, при которых структура ДНК остается прежней. Можно представить, будто некий «командир» в ответ на внешние стимулы, такие как питание, эмоциональные стрессы, физические нагрузки, отдает приказы нашим генам усилить или, наоборот, ослабить их активность.

Эпигенетика как раз и определяет, как будут, или не будут работать данные нам природой гены. А выражаясь языком науки, наш образ жизни запускает экспрессию (активизацию) определенных генов. Эпигенетика изучает этот вопрос. Как, может быть, кто- то из вас знает, гены могут выполнять транскрипцию и трансляцию – процессы передачи информации, благодаря которым после тренировки активируется синтез белков – или миофибрильных (приводит к росту мышечной массы и силовых показателей) или митохондриальных (приводит к увеличению митохондрий, что делает наши мышцы выносливее). Эпигенетика начинает работать там, где определенные вещества или субстанции внутри клетки начинают взаимодействовать с геном и определяют, активировать его или нет, на какой срок активировать, и общее количество новых белков, которые нужно синтезировать в мышцах.   

Вообще, обсуждать такие сложные вопросы, не являясь специалистом, не совсем правильно, однако, несмотря на недостаток специальных знаний в этой области, попробую сделать хотя бы поверхностное описание. Эпигенетика влияет на экспрессию (как я уже упоминал, это активация) генов несколькими путями. Основной путь – это непосредственное взаимодействие определенного вещества, вырабатываемого в клетке в результате тренировки, непосредственно с ДНК, при этом происходит экспрессия определенных генов, что также определяется - какое именно вещество взаимодействовало с ДНК. Второй путь – определенные вещества наоборот «выключают» активные гены.

Можно провести еще одну аналогию – генетику сопоставить с «железом», а эпигенетику с программным обеспечением. При таком сравнении становится все понятно – без хорошего софта даже 8-ядерный процессор не более, чем железка. Так и одаренный спортсмен без хорошей методики всего лишь одаренный спортсмен.

Говоря простым языком – функции отдельных генов изменяются под действием окружающей среды. Еще более интересным является тот факт, что эти изменения передаются из поколения в поколение. То, что вы делаете, или то, к чему у вас склонность наверняка обнаружится и у ваших детей. У родителей, долгое время занимающихся бегом на выносливость, возникают, если так можно выразиться, своеобразные «мутации», способствующие высокому потреблению кислорода, хорошей устойчивости к закислению, быстрому восстановлению от нагрузок. У таких родителей дети с большой долей вероятности способны добиться в спорте более высоких результатов, потому что родители долгое время трудились, чтобы передать детям плоды своих тренировок – активные гены.

Какие изменения могут возникать?

Поскольку эпигенетика – совсем уж новая отрасль науки, то у специалистов еще множество неразгаданных вопросов. Причем, ключевой из них – «Как можно повлиять на эпигенетику и почему происходят изменения?»

За всю жизнь мы подвергаемся огромному количеству стрессов из-за возникновения на нашем жизненном пути стрессоров различного происхождения. Например –  неправильное питание, неблагоприятная экология, холодный или жаркий климат – все это стрессоры различного порядка, но каждый из них по своему влияет на организм, заставляя его адаптироваться к стрессу. Самыми яркими примерами того, как питание и диета могут влиять на потомство, являются следующие два. Интересное исследование проводилось в одной из деревень Швеции, где изучался каждый житель. Обнаружено, что если в детстве человек (мужского пола) переедал, то его внуки имели повышенный риск заболеть диабетом. Точно так же для женщин – если они недополучали положенные им калории во время беременности, то их ребенок с большой долей вероятности получал резистентность к инсулину и склонность к ожирению.

Кроме того, сама реакция на стресс может сильно влиять на потомство. Если хотя бы один из родителей в течение жизни регулярно находился в состоянии стресса, когда в крови был высокий уровень гормонов, это может сильно повлиять на здоровье детей, в частности на их стрессоустойчивость и на естественный уровень гормонов стресса. Помимо этого у детей могут наблюдаться изменения в работе сердечно-сосудистой системы, составе тела, обмене веществ и много других.

Как это происходит?

Сложный вопрос, но довольно интересный – что- же лежит в основе эпигенетических изменений?

Если говорить о долгосрочных генетических изменениях как способу естественного отбора, то эпигенетика обеспечивает краткосрочную «встройку» в реалии окружающей среды, что позволяет организму выжить.

По сути эпигенетика – это тонкая настройка или регулировка всех систем организма, обеспечивающая максимальное соответствие условиям окружающей среды.

Существует даже интересная гипотеза, которая с помощью эпигенетики пытается объяснить возникновение болезней. Она выглядит так  - болезнь возникает тогда, когда появляется несоответствие между ожидаемой окружающей средой, и реальной. Если текущая «настройка» организма соответствует реальной окружающей среде, болезнь пройдет мимо. Когда возникает несоответствие, способность человека реагировать на резкие воздействия окружающей среды (сюда относятся и тренировки) может оказаться недостаточной, что приводит к ослаблению организма и впоследствии, к болезни.

Проведем аналогию на спорт. Тренируясь долгие годы на 100м и готовясь к олимпийским играм, спортсмена неожиданно ставят на более длинную дистанцию. То есть, ожидаемая среда не совпадает с реальной, к которой организм не адаптирован.  Дистанцию 400м этот спортсмен еще сможет неплохо проскочить, так как несоответствие между 100м и 400м не такое огромное, но полностью провалит 5000м, так как там совсем иные требования для организма. От этого же возникают и спортивные травмы – организм не успевает так быстро приспособить свой опорно-двигательный аппарат, насколько быстро мы повышаем нагрузку. Любая адаптация к незнакомой ситуации– есть активирование или же наоборот, выключение конкретных генов в организме.

Слишком много написал информации на абсолютно неспортивную тему, но это для лучшего понимания описываемого явления. Теперь обратимся к тому, что с нашим организмом происходит под влиянием профессионального тренинга.

Эпигенетика и бег на выносливость

До этого мы рассматривали только отрицательные изменения в организме, предлагаю теперь немножко подумать о хорошем – как с помощью эпигенетики стать быстрее, выше и сильнее?

В исследовании животных были обнаружены изменения под действием окружающей среды в сердечной мышце, системе кровообращения, уровне стрессовых гормонов и обмене веществ. Как правило, исследователи обнаруживали лишь негативные изменения, но интригует тот факт, что вообще эти изменения возможны.

Изменения окружающей среды, физические нагрузки, диета способны вызывать экспрессию определенных генов. К примеру, при исследовании мышей, где взяли контрольную и экспериментальную группу, обе группы сидели на высококалорийной диете, но экспериментальная получала вдобавок витамин Б12, фолиевую кислоту и холин. На выходе эксперимента получили, что в экспериментальной группе мыши не добавили в весе, а в контрольной – значительно добавили. Получается, всего три витамина изменили экспрессию генов, которые отвечают за расщепление и утилизацию жирных кислот.  Взглянем теперь на то, насколько сильно будет влиять на нас тот факт, что наши родители были спортсменами высокой квалификации.

Самым главным фактором-активатором генов выносливости является PGC-1α. Это как раз то самое, описываемое выше вещество, способное при взаимодействии с ДНК активировать гены выносливости. Этот фактор-активатор появляется в клетках как при интенсивной интервальной работе, так и при длинных аэробных кроссах. То есть, чем больше в наших клетках вещества PGC-1α, тем выше эффект тренировки на развитие выносливости. Это вещество вызывает повышение концентрации эритропоэтина в крови (что приведет к росту эритроцитов и гемоглобина) и увеличение активности митохондрий (рост мышечной выносливости). Ученые нашли, что у родителей, тренировавшихся на выносливость, передается определенная информация детям, благодаря которой PGC-1α будет вызывать большую экспрессию генов выносливости.

Также остро стоит вопрос изменения соотношения мышечных волокон под влиянием эпигенетических факторов. Мышечные волокна если не вникать в тонкости делятся на медленные волокна, быстрые неутомляемые и быстрые утомляемые. Как известно, при тренировке на выносливость меняется тип мышечных волокон в сторону более медленных, а при спринтерской тренировке возможны небольшие сдвиги в сторону быстрых. Естественно, эти изменения не так велики, как нам бы хотелось, и при всем желании из марафонца не сделать спринтера, хотя путем целенаправленных тренировок можно значительно поднять скорость. В качестве реакции  на нагрузки разного характера – аэробной или анаэробной, в мышцах появляются определенные вещества (об этом уже было сказано), способствующие изменениям в типе мышечных волокон. То есть эпигенетика прослеживается и здесь – мы можем целенаправленно манипулировать, правда недостаточно сильно, какой тип волокон должен увеличиться, а какой уменьшиться.

В заключение хотелось бы отметить, что наш образ жизни, наше питание, физическая нагрузка – все это не только адаптирует нас к окружающей среде, но и передает все это последующим поколениям, чтобы они были еще быстрее, еще выносливее нас. Вот тут и возникает интересный вопрос – можно ли объяснить с помощью эпигенетики превосходство в беге на выносливость кенийцев и эфиопов, или же они имеют уникальные «гены выносливости»? Этот вопрос будет обсуждаться в дальнейшем. 

---

 

Чем можно объяснить превосходство кенийцев и эфиопов над «белыми» бегунами?

 

В прошлой статье был затронут вопрос эпигенетики, где я постарался раскрыть этот пока что новый и незнакомый термин. В частности, рассмотрел вопрос о том, что эпигенетические изменения могут влиять на будущие поколения. А если еще точнее, то тренировки (неважно, на скорость или выносливость), могут активировать наши гены, не затрагивая структуру ДНК и делать наших потомков выносливее и быстрее. Короче говоря, если ваши родители до вашего рождения профессионально занимались спортом – можете не сомневаться – их усилия в какой- то степени передались и вам.

В связи с этим можно попробовать задать интересный вопрос, и точно так же попробовать на него ответить, используя новые знания.

Может ли долгосрочная тренировка или активная деятельность нескольких поколений подряд создавать хотя бы небольшие изменения в генах для лучшего приспособления последующих поколений к этой деятельности или нагрузке. В данном случае я имею ввиду, что будет ли у детей МПК, синтез природного эритропоэтина, капилляризация мышечных волокон и т.д. выше чем у родителей?

Чтобы наилучшим образом ответить на это вопрос следует рассмотреть возможные причины превосходства бегунов из Восточной Африки.

В чем же секрет кенийских и эфиопских бегунов?

Десять-пятнадцать лет назад весь научный мир однозначно бы ответил, что кенийцы и эфиопы имеют уникальную генетику, которая и обуславливает их практически тотальное превосходство на средних и длинных дистанциях. Последние исследования к великому их удивлению показали, что генетика африканцев практически не отличается от генетики европейцев. В чем же тогда дело? Возможно, наука эпигенетика и сможет ответить на этот вопрос. Приведу лишь свои собственные мысли и рассуждения по этому поводу на основе изучения литературы по данному вопросу. И написанное ниже не стоит однозначно принимать за истину.

«Беговые» племена

Статистика показывает, что большинство элитных кенийских бегунов родом из высокогорной Рифтовой долины, причем 80% элиты принадлежат племени «календжин», а это всего 10% от всего населения Кении. Однако в Эфиопии ситуация не такая однозначная – лишь 38% топовых эфиопов принадлежат одному племени, численность которого составляет всего лишь 5% от населения Эфиопии. Однако как выяснили специалисты генетика представителей «календжин» идентична генетике всего населения Кении.

Раз теория генетического превосходства восточноафриканцев над европейцами потерпела фиаско, то ученые предположили, что все дело в высотном факторе и окружающей среде, в которой на протяжении сотен лет проживают эти племена. В прошлом статье я упоминал, что окружающая среда и образ жизни имеют значительное влияние на активность некоторых генов. Но возможно ли, что совокупность высотных, экологических и других социокультурных факторов так сильно повлияла на способность проявлять выносливость?

Африканская диета

Как уже было сказано – пищевые предпочтения и диета могут значительно влиять на экспрессию генов у последующих поколений. Вполне вероятно, что особый рацион питания за десятки и сотни лет мог внести изменения в их «топливную систему». Это значит, что они производят меньше лактата и потребляют меньше кислорода (экономичность бега выше) чем их западные коллеги при беге с одинаковой скоростью. Оба этих фактора в принципе тренируемы, но, похоже, в случае кенийцев, они тренировались много поколений подряд. В большинстве, диета кенийцев состоит из углеводов – мясных продуктов там может себе позволить далеко не каждый. Плюс к тому, из-за низкого уровня жизни повсеместно встречаются голодающие. В нескольких исследованиях подтверждено, что голод может сильно влиять на будущие поколения. Тогда возможно эти факторы – голодание и углеводная диета способствовали высокому усвоению гликогена во время нагрузки, что могло бы обеспечивать низкие уровни закисления, и как следствие – более высокие аэробные качества. Так ли это на самом деле, однозначно не дать ответ.

Физическая активность и тренировки

Уровень физической активности кенийцев до официального начала занятий спортом в представлении не нуждается. Более чем 50% топовых кенийцев добирались до своей школы более пяти километров, и столько же обратно. Около 80% из них делали это бегом. Существует мнение, что огромное значение на будущие успехи в спорте играет уровень физической активности в допубертантный период, то есть до полового созревания – как раз школьные годы. А в период обучения в школе неофициальный объем (не тренировочный, а просто бег в школу и обратно) очень высок, и к концу обучения аэробная база 16-18 летнего выпускника кенийской школы уже соответствует аэробной базе российского мастера спорта.

Одна из причин превосходства кенийцев

Высокая физическая активность в молодые годы трансформирует гены, отвечающие за проявление выносливости, и после полового созревания это обеспечивает более оперативное реагирование организма на начало уже «официальных» беговых тренировок. Также есть мнение, что если в юные годы активизировать пробежками те гены, которые отвечают за митохондриальный биогенез, то включения «настоящих» беговых тренировок – темпов, интервалов и фартлеков в более зрелом возрасте будет способствовать очень быстрому попаданию в мировую элиту. «Ответ» организма на тренировки будет в разы выше. А если еще к этому приложить сотни лет активности предков современных кенийцев, то их превосходство уже не кажется чем- то необычным.

Многие естественно думают, что превосходство кенийцев и эфиопов обусловлено высотой. Однако почему тогда мы не видим на международной арене жителей Средней Азии, живущих на схожей высоте? Где представители высокогорных стран Южной Америки или Тибета? Если уж разбираться, то азиаты так же как и кенийцы испокон веков занимаются выпасом скота в горных долинах, только кенийцы это делают бегом, а азиаты или на коне или ишаке. К тому же по собственным наблюдениям могу сказать азиатские народы крайне ленивы, порой даже ленятся слезать с ишака чтобы нужду справить. Так что не в одной высоте дело, а в большей части в образе жизни.

Успех кенийцев и эфиопов на мой взгляд прежде всего связан с высокой физической активностью предыдущих поколений и активностью на протяжении обучения в школе. И уже в последнюю очередь проживанию на высоте.

Тогда откуда берутся «белые чемпионы»?

На мой взгляд, существует принципиально большая разница между кенийским чемпионом и «белым» чемпионом. Как я уже сказал, успех кенийцев прежде всего связан с особыми социокультурными условиями и образом жизни. В отличие от них, «белый» чемпион  - это прежде всего уникальные природные данные, то есть это генетический уникум. Поскольку наша среда обитания существенно отличается от кенийской, то природа не готовила нас на протяжении десятков, а то и больше поколений подряд быстро бегать. Но в очень редких случаях встречается уникальное сочетание генов у ребенка – это потенциальный чемпион, если правильно выберет «свой» вид спорта. Насколько редкое явление в лотерее выигрыш миллиона долларов, настолько же редкое явление – появление генетического уникума.

Попробую проиллюстрировать все это на двух примерах. Рекордсменка мира в марафоне Пола Рэдклифф уже в 18 лет выиграла чемпионат мира по кроссу – что это, если не уникальные природные данные? Ведь таком возрасте оценить адекватность методического подхода еще весьма проблематично.

И самый лучший пример, по которому у меня есть данные – это Лэнс Армстронг. Только я сразу отвечу тем, кто будет тыкать пальцем, утверждая, что он допер – да, это факт, и доказанный факт. Но разве в те годы на знаменитой многодневке были чистые спортсмены? Сомневаюсь. Армстронг был лучшим среди равных, таких же как и он доперов.

Так вот, профессоры, наблюдавшие за ним на протяжении десяти лет, сделали удивительные выводы касательно его таланта.

С 1991 года по 1997 год он спрогрессировал на 20-50 ватт в пороговых мощностях (в велоспорте тоже есть ПАНО и АнП, только в отличие от нас, измеряются они в ваттах). Но это скорее связано с потерей веса от раковой болезни. То есть, что в 19 лет, что в более поздние годы он оставался на одном уровне, просто вынося всех на генетике. Профессор, его наблюдавший, вычислил частоту встречаемости среди американской популяции физиологических параметров как у Лэнса:

1) гемоглобин – как ни странно, самый банальный его талант – встречаемость у каждого второго американца;

2) плотность капилляров 1:10;

3) сердечная мышца – 1:20;

4) МПК - 1:2000;

5) АнП и АэП  - 1:20 000;

6) ферментативная активность -1:5;

7) мощность педалирования приведенная на килограмм веса – 1:100 000 000.

Теперь представьте, что все эти параметры собраны в кучу в одном человеке, и итоговый результат встречаемости всех этих параметров будет составлять один к миллиарду. То есть во всем мире живет всего семь людей, схожих по физическим характеристикам с Лэнсом. Это не мои сказки, ниже я прикреплю научные исследования, где все это более подробно описано.

Аналогичная ситуация на мой взгляд и с нашим чемпионом Юрием Борзаковским – генетически уникум, оптимально сочетающий в себе все параметры, позволившие ему выиграть 800м на Олимпиаде. Но для дистанции 5000 или 10000м Борзаковский уже бы не являлся уникумом. Природа наделила его возможностью бежать быстро именно 800м.

Выводы по статье

На основе вышесказанного позволю задать себе вопрос и сам себе же на него и отвечу – какой путь выращивания чемпионов подойдет нам с учетом нашей специфики?

Однозначно, нам не по пути с африканцами. Физическая активность современных детей на порядок ниже, чем у предыдущих  - наших мам, пап и бабушек с дедушками. Можем ли мы себе представить, чтобы современные дети у нас бегали в школу? Конечно нет, а все подвижные игры заменил компьютер. Сейчас в обиходе появилось такое обидное, но точно характеризующее нынешнее поколение детей выражение: «мясное поколение». Оно характеризуется в первую очередь низкой физической активностью, некачественным питанием (сникерсы, чипсы, газировки и т.д.), зависимостью от компьютерных игр начиная уже с трех лет. Все это приводит в конечном итоге к деградации населения. И каждое последующее поколение наверняка будет слабее предыдущего. Но генетика при этом может быть просто отличной – да образ жизни все сводит на «нет».

Поэтому на мой взгляд будущее спорте не в одной методе, науке и фармакологии, а в просеивании детей с раннего возраста через «генетическое сито» - во- первых сразу все расставит по своим местам – одарен или не одарен, и позволит найти «свой» вид спорта, чтобы не блуждать в потемках долгие годы. Ну, и естественно – регулярные занятия физкультурой с малых лет дадут «проснуться» и проявить себя уникальному сочетанию генов уже в детском возрасте.