V̇O 2 max (также максимальное потребление кислорода , максимальное поглощение кислорода или максимальная аэробная способность ) — это максимальная скорость потребления кислорода , достижимая во время физической нагрузки. [1] [2] Название происходит от трех сокращений: «V̇» для объема (точка над V означает «в единицу времени» в обозначениях Ньютона ), «O 2 » для кислорода и «max» для максимального и обычно нормируется на килограмм массы тела. Аналогичным показателем является пик V̇O 2 ( пиковое потребление кислорода ), который представляет собой измеримую величину сеанса физических упражнений, будь то дополнительных или иных. Оно может соответствовать или занижать фактическое значение V̇O 2 max. Путаница между ценностями в старой и популярной литературе по фитнесу является обычным явлением. [3] Способность легких обменивать кислород и углекислый газ ограничена скоростью транспорта кислорода кровью в активные ткани.
Измерение V̇O 2 max в лаборатории дает количественную оценку выносливости для сравнения эффектов индивидуальных тренировок и между людьми, тренирующимися на выносливость . Максимальное потребление кислорода отражает кардиореспираторную работоспособность и выносливость при выполнении физических упражнений. Элитные спортсмены, такие как бегуны на длинные дистанции , велосипедисты или олимпийские лыжники , могут достигать максимальных значений V̇O 2 , превышающих 90 мл/(кг·мин), в то время как у некоторых выносливых животных, таких как аляскинские хаски , максимальные значения V̇O 2 превышают 200 мл/(кг·мин).
В физической подготовке , особенно в научной литературе, V̇O 2 max часто используется в качестве эталонного уровня для количественной оценки уровня нагрузки, например, 65% V̇O 2 max в качестве порога для устойчивых упражнений, который обычно считается более строгим, чем частота сердечных сокращений . но его более сложно измерить.
V̇O 2 max выражается либо как абсолютная скорость поступления кислорода в (например) литрах в минуту (л/мин), либо как относительная скорость в (например) миллилитрах кислорода на килограмм массы тела в минуту (например, мл /(кг·мин)). Последнее выражение часто используется для сравнения результатов спортсменов, занимающихся видами спорта на выносливость. Однако V̇O 2 max обычно не изменяется линейно в зависимости от массы тела ни среди особей внутри вида, ни между видами, поэтому сравнение работоспособности особей или видов, различающихся по размеру тела, должно проводиться с помощью соответствующих статистических процедур, таких как анализ ковариации . [2]
Точное измерение V̇O 2 max требует физических усилий, достаточных по продолжительности и интенсивности, чтобы полностью нагрузить аэробную энергетическую систему. В общих клинических и спортивных тестах это обычно включает в себя тест с ступенчатой нагрузкой, при котором интенсивность упражнений постепенно увеличивается при измерении:
V̇O 2 max измеряется во время кардиопульмонального нагрузочного теста (CPX-тест). Тест проводится на беговой дорожке или велоэргометре . У нетренированных людей V̇O 2 max на 10–20 % ниже при использовании велоэргометра по сравнению с беговой дорожкой. [4] Однако результаты тренированных велосипедистов на велоэргометре равны или даже превосходят результаты, полученные на беговой дорожке. [5] [6] [7]
Классический V̇O 2 max, по мнению Хилла и Луптона (1923), достигается, когда потребление кислорода остается на стабильном уровне («плато»), несмотря на увеличение рабочей нагрузки. Возникновение плато не гарантируется и может варьироваться в зависимости от человека и интервала отбора проб, что приводит к изменению протоколов с различными результатами. [3]
V̇O 2 также можно рассчитать по уравнению Фика : , когда эти значения получены при нагрузке с максимальным усилием. Здесь Q — сердечный выброс сердца, C a O 2 — содержание кислорода в артериальной крови, C v O 2 — содержание кислорода в венах. ( C a O 2 – C v O 2 ) также известен как артериовенозная разница кислорода .
Уравнение Фика можно использовать для измерения V̇O 2 у пациентов в критическом состоянии, но его польза невелика даже в случаях отсутствия нагрузки. [8] С другой стороны, использование VO 2 на основе дыхания для оценки сердечного выброса кажется достаточно надежным. [9]
Необходимость для субъекта прилагать максимальные усилия для точного измерения V̇O 2 max может быть опасной для людей с нарушенной дыхательной или сердечно-сосудистой системой; таким образом, были разработаны субмаксимальные тесты для оценки V̇O 2 max.
Оценка V̇O 2 max основана на максимальной частоте пульса и частоте пульса в состоянии покоя. В Уте и др. (2004) формулировка: [10]
В этом уравнении используется отношение максимальной частоты сердечных сокращений (HR max ) к частоте сердечных сокращений в состоянии покоя (HR rest ) для прогнозирования V̇O 2 max. Исследователи предупредили, что правило конверсии было основано на измерениях только у хорошо тренированных мужчин в возрасте от 21 до 51 года и может быть ненадежным при применении к другим подгруппам. Они также сообщили, что формула наиболее надежна, если она основана на фактическом измерении максимальной частоты сердечных сокращений, а не на оценке, связанной с возрастом.
Постоянный коэффициент Uth равен 15,3 для хорошо тренированных мужчин. [10] Более поздние исследования пересмотрели постоянный коэффициент для различных групп населения. По данным Вотилайнена и др. В 2020 году постоянный коэффициент должен составлять 14 примерно для 40-летних, никогда не курящих мужчин с нормальным весом, не имеющих сердечно-сосудистых заболеваний, бронхиальной астмы или рака. [11] Каждые 10 лет коэффициент снижается на единицу, а также происходит изменение массы тела от нормального веса к ожирению или переход от никогда не курившего к нынешнему курильщику. Следовательно, V̇O 2 max у 60-летних курящих мужчин с ожирением следует оценивать путем умножения отношения ЧСС макс к ЧСС в состоянии покоя на 10.
Кеннет Х. Купер провел исследование для ВВС США в конце 1960-х годов. Одним из результатов этого стал тест Купера , в котором измеряется расстояние, пройденное бегом за 12 минут. На основании измеренного расстояния оценка V̇O 2 max [в мл/(кг·мин)] составляет: [ нужна ссылка ]
где d 12 — расстояние (в метрах), пройденное за 12 минут.
Альтернативное уравнение:
где d ′ 12 — расстояние (в милях), пройденное за 12 минут.
Существует несколько других надежных тестов и калькуляторов V̇O 2 max для оценки V̇O 2 max, в первую очередь многоэтапный фитнес-тест (или звуковой тест). [12]
Оценка V̇O 2 max при прохождении дистанции в одну милю на время в десятичных минутах ( t , например: 20:35 будет указано как 20,58), пол, возраст в годах, масса тела в фунтах ( BW , фунты) и 60- вторая частота сердечных сокращений в ударах в минуту ( ЧСС , ударов в минуту) в конце мили. [13] Константа x равна 6,3150 для мужчин и 0 для женщин.
У мужчин V̇O 2 max на 26 % выше (6,6 мл/(кг·мин)) по сравнению с женщинами на беговой дорожке и на 37,9 % выше (7,6 мл/(кг·мин)) по сравнению с женщинами на велоэргометре в среднем. [14] V̇O 2 max в среднем на 22% выше (4,5 мл/(кг·мин)) при измерении с помощью велоэргометра по сравнению с беговой дорожкой. [14]
У среднего нетренированного здорового мужчины VO 2 max составляет примерно 35–40 мл/(кг·мин). [15] [16] Среднестатистическая нетренированная здоровая женщина имеет V̇O 2 max приблизительно 27–31 мл/(кг·мин). [15] Эти показатели могут улучшаться по мере тренировок и уменьшаться с возрастом, хотя степень обучаемости также широко варьируется. [17]
В видах спорта, где выносливость является важным компонентом производительности, таких как езда на велосипеде , гребля , беговые лыжи , плавание и бег на длинные дистанции , спортсмены мирового класса обычно имеют высокие максимальные значения V̇O 2 . Элитные бегуны-мужчины могут потреблять до 85 мл/(кг·мин), а элитные бегуны-женщины - около 77 мл/(кг·мин). [18]
Высокие значения в абсолютном выражении для людей могут быть обнаружены у гребцов , поскольку их больший объем компенсирует немного более низкий V̇O 2 max на массу тела. У элитных гребцов, измеренных в 1984 году, максимальные значения V̇O 2 составляли 6,1±0,6 л/мин, а у гребцов - 4,1±0,4 л/мин. [19] Новозеландский гребец Роб Уодделл имеет один из самых высоких абсолютных максимальных уровней V̇O 2 , когда-либо протестированных. [20]
V̇O 2 max измерялся у других видов животных. Во время плавания с нагрузкой у мышей VO 2 max составлял около 140 мл/(кг·мин). [21] У чистокровных лошадей максимальный VO 2 составлял около 193 мл/(кг·мин) после 18 недель высокоинтенсивных тренировок. [22] У аляскинских хаски , участвовавших в гонках на собачьих упряжках Iditarod Trail, максимальные значения V̇O 2 достигали 240 мл/(кг·мин). [23] По оценкам, V̇O 2 max для вилорогих антилоп достигал 300 мл/(кг·мин). [24]
Факторы, влияющие на V̇O 2 , можно разделить на спрос и предложение. [25] Снабжение — это транспорт кислорода из легких в митохондрии (объединяющее функцию легких , сердечный выброс , объем крови и плотность капилляров скелетных мышц), тогда как потребность — это скорость, с которой митохондрии могут восстанавливать кислород в процессе окислительного фосфорилирования . [25] Из них факторы предложения могут быть более ограничивающими. [25] [26] Однако также утверждается, что, хотя у обученных субъектов предложение, вероятно, ограничено, у неподготовленных субъектов действительно может быть ограничение спроса. [27]
Общие характеристики, влияющие на V̇O 2 max, включают возраст, пол , физическую форму и тренировку, а также высоту над уровнем моря. V̇O 2 max может быть плохим предиктором результатов бегунов из-за различий в экономичности бега и устойчивости к утомлению во время длительных тренировок. Организм работает как система. Если один из этих факторов не соответствует норме, нормальная производительность всей системы снижается. [27]
Препарат эритропоэтин (ЭПО) может значительно повысить V̇O 2 max как у людей, так и у других млекопитающих. [28] Это делает ЭПО привлекательным для спортсменов, занимающихся видами спорта на выносливость , такими как профессиональный велоспорт. ЭПО был запрещен с 1990-х годов как запрещенное вещество, улучшающее спортивные результаты . Но к 1998 году оно получило широкое распространение в велоспорте и привело к делу Фестины [29] [30] , а также было повсеместно упомянуто в отчете USADA 2012 года о профессиональной велосипедной команде Почтовой службы США . [31] Грег ЛеМонд предложил установить базовый уровень V̇O 2 max (и других характеристик) гонщиков для выявления аномального увеличения производительности. [32]
V̇O 2 max/peak широко используется в качестве показателя кардиореспираторной подготовленности (CRF) у отдельных групп спортсменов или, реже, у людей, находящихся под оценкой риска заболевания. В 2016 году Американская кардиологическая ассоциация (AHA) опубликовала научное заявление, в котором рекомендовала регулярно оценивать CRF, измеряемую как V̇O 2 max/peak, и использовать ее в качестве клинического показателя жизненно важных функций; Эргометрия (измерение мощности тренировки) может использоваться, если VO 2 недоступен. [33] Это утверждение было основано на доказательствах того, что более низкий уровень физической подготовки связан с более высоким риском сердечно-сосудистых заболеваний, смертности от всех причин и уровня смертности. [33] В дополнение к оценке риска, в рекомендации AHA указывается ценность измерения физической подготовки для проверки предписаний по физическим упражнениям , консультирования по физической активности , а также для улучшения как управления, так и здоровья людей, проходящих оценку. [33]
Метаанализ наблюдательных когортных исследований 2023 года показал обратную и независимую связь между V̇O 2 max и риском смертности от всех причин. [34] Каждое увеличение метаболического эквивалента предполагаемой кардиореспираторной подготовленности было связано со снижением смертности на 11%. [34] Верхняя треть максимальных показателей V̇O 2 представляла собой снижение смертности среди людей на 45% по сравнению с нижней третью. [34]
По состоянию на 2023 год V̇O 2 max редко используется в повседневной клинической практике для оценки кардиореспираторной работоспособности или смертности из-за значительных затрат ресурсов и затрат. [35] [36]
Британский физиолог Арчибальд Хилл представил концепции максимального поглощения кислорода и кислородного долга в 1922 году. [37] [26] Хилл и немецкий врач Отто Мейерхоф получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1922 года за независимую работу, связанную с энергетическим метаболизмом мышц. [38] Опираясь на эту работу, ученые начали измерять потребление кислорода во время тренировок. Ключевой вклад внесли Генри Тейлор из Университета Миннесоты , скандинавские ученые Пер-Улоф Остранд и Бенгт Салтин в 1950-х и 60-х годах, Гарвардская лаборатория усталости , немецкие университеты и Копенгагенский центр исследования мышц. [39] [40]