V̇O 2 max (также максимальное потребление кислорода , максимальное поглощение кислорода или максимальная аэробная емкость ) — это максимальная скорость потребления кислорода, достижимая во время физической нагрузки. [1] [2] Название происходит от трех аббревиатур: «V̇» для объема (точка над V указывает «за единицу времени» в нотации Ньютона ), «O 2 » для кислорода и «max» для максимума и обычно нормируется на килограмм массы тела. Аналогичная мера — V̇O 2 peak ( пиковое потребление кислорода ), которое является измеримым значением от сеанса физических упражнений, будь то постепенных или иных. Оно может совпадать или недооценивать фактический V̇O 2 max. Путаница между значениями в старой и популярной литературе по фитнесу является распространенной. [3] Способность легких обменивать кислород и углекислый газ ограничивается скоростью транспортировки кислорода кровью к активным тканям.
Измерение V̇O 2 max в лаборатории дает количественное значение выносливости для сравнения индивидуальных эффектов тренировок и между людьми, тренирующимися на выносливость . Максимальное потребление кислорода отражает кардиореспираторную подготовленность и выносливость при выполнении упражнений. Элитные спортсмены, такие как бегуны на длинные дистанции , велогонщики или олимпийские лыжники , могут достигать значений V̇O 2 max, превышающих 90 мл/(кг·мин), в то время как некоторые выносливые животные, такие как аляскинские хаски , имеют значения V̇O 2 max, превышающие 200 мл/(кг·мин).
В физической подготовке , особенно в академической литературе, V̇O 2 max часто используется в качестве контрольного уровня для количественной оценки уровней нагрузки, например, 65% V̇O 2 max в качестве порогового значения для устойчивой нагрузки, которое обычно считается более строгим, чем частота сердечных сокращений , но и более сложным для измерения.
V̇O 2 max выражается либо как абсолютная скорость в (например) литрах кислорода 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 производительности спортсменов в видах спорта на выносливость. Однако V̇O 2 max обычно не изменяется линейно с массой тела, ни среди особей в пределах вида, ни среди видов, поэтому сравнение производительности особей или видов, которые различаются по размеру тела, должно проводиться с использованием соответствующих статистических процедур, таких как анализ ковариации . [2]
Точное измерение V̇O 2 max требует физических усилий, достаточных по продолжительности и интенсивности для полной нагрузки аэробной энергетической системы. В общем клиническом и спортивном тестировании это обычно включает в себя градуированный тест упражнений, в котором интенсивность упражнений постепенно увеличивается при измерении:
V̇O 2 max измеряется во время кардиопульмонального 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 выше результатов, полученных на беговой дорожке. [5] [6] [7]
Классический V̇O 2 max, в понимании Хилла и Люптона (1923), достигается, когда потребление кислорода остается в устойчивом состоянии («плато»), несмотря на увеличение рабочей нагрузки. Возникновение плато не гарантируется и может варьироваться в зависимости от человека и интервала отбора проб, что приводит к измененным протоколам с различными результатами. [3]
V̇O 2 также может быть рассчитан с помощью уравнения Фика : , когда эти значения получены во время нагрузки с максимальным усилием. Здесь Q - сердечный выброс сердца, C a O 2 - артериальное содержание кислорода, а C v O 2 - венозное содержание кислорода. ( C a O 2 - C v O 2 ) также известно как артериовенозная разница по кислороду .
Уравнение Фика можно использовать для измерения VO2 у пациентов в критическом состоянии, но его полезность невелика даже в случаях отсутствия физической нагрузки. [8] С другой стороны, использование VO2 на основе дыхания для оценки сердечного выброса представляется достаточно надежным. [9]
Необходимость приложения максимальных усилий для точного измерения максимального показателя V̇O 2 может быть опасной для людей с нарушениями дыхательной или сердечно-сосудистой систем; поэтому были разработаны субмаксимальные тесты для оценки максимального показателя V̇O 2 .
Оценка V̇O 2 max основана на максимальной и спокойной частоте сердечных сокращений. В формулировке Uth et al. (2004) она определяется как: [10]
Это уравнение использует 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 преобразования основано только на измерениях 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, когда основана на фактическом измерении максимальной частоты сердечных сокращений, а не на возрастной оценке.
Постоянный фактор Uth, равный 15,3, дан для хорошо тренированных мужчин. [10] Более поздние исследования пересмотрели постоянный фактор для разных групп населения. Согласно Voutilainen et al. 2020, постоянный фактор должен быть равен 14 у 40-летних мужчин с нормальным весом, никогда не курящих, без сердечно-сосудистых заболеваний, бронхиальной астмы или рака. [11] Каждые 10 лет возраста уменьшают коэффициент на единицу, так же как и изменение веса тела от нормального веса до ожирения или изменение от никогда не курившего до текущего курильщика. Следовательно, V̇O 2 max у 60-летних тучных текущих курильщиков следует оценивать путем умножения отношения HR max к HR rest на 10.
Кеннет Х. Купер провел исследование для ВВС США в конце 1960-х годов. Одним из результатов этого исследования стал тест Купера , в котором измеряется расстояние, пройденное бегом за 12 минут. [12] На основе измеренного расстояния можно рассчитать оценку V̇O 2 max [в мл/(кг·мин)], обратив уравнение линейной регрессии, что дает нам:
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, наиболее известным из которых является многоступенчатый фитнес-тест (или звуковой тест). [13]
Оценка максимального потребления кислорода (VO2 ) по результатам хронометрированной ходьбы на треке на расстояние в одну милю (на максимально возможной скорости) в десятичных минутах ( t , например: 20:35 будет указано как 20,58), пол, возраст в годах, масса тела в фунтах ( BW , lbs) и 60-секундная частота сердечных сокращений в ударах в минуту ( HR , bpm) в конце мили. [14] Константа x равна 6,3150 для мужчин и 0 для женщин.
Коэффициент корреляции r для обобщенной формулы равен 0,88.
У мужчин максимальный объем потребления кислорода (VO2 ) на 26% выше (6,6 мл/(кг·мин)) по сравнению с женщинами при использовании беговой дорожки и на 37,9% выше (7,6 мл/(кг·мин)) по сравнению с женщинами при использовании велоэргометра в среднем. [15] Максимальный объем потребления кислорода (VO2 ) в среднем на 22% выше (4,5 мл/(кг·мин)) при измерении с помощью велоэргометра по сравнению с беговой дорожкой. [15]
Средний нетренированный здоровый мужчина имеет максимальный объем потребления кислорода (VO2 ) около 35–40 мл/(кг·мин). [16] [17] Средний нетренированный здоровый мужчина имеет максимальный объем потребления кислорода (VO2 ) около 27–31 мл/(кг·мин). [16] Эти показатели могут улучшаться с тренировками и уменьшаться с возрастом, хотя степень тренируемости также сильно различается. [18]
В видах спорта, где выносливость является важным компонентом производительности, таких как шоссейный велоспорт , гребля , беговые лыжи , плавание и бег на длинные дистанции , спортсмены мирового класса обычно имеют высокие значения V̇O 2 max. Элитные бегуны-мужчины могут потреблять до 85 мл/(кг·мин), а элитные бегуньи-женщины могут потреблять около 77 мл/(кг·мин). [19]
Норвежскому велосипедисту Оскару Свендсену принадлежит рекорд по самому высокому показателю VO2 , когда-либо измеренному — 97,5 мл/(кг·мин). [20] [21]
V̇O 2 max измерялся у других видов животных. Во время плавания с нагрузкой у мышей V̇O 2 max составлял около 140 мл/(кг·мин). [22] У чистокровных лошадей V̇O 2 max составлял около 193 мл/(кг·мин) после 18 недель высокоинтенсивных тренировок. [23] У аляскинских хаски, участвующих в гонке на собачьих упряжках Iditarod Trail, значения V̇O 2 max достигали 240 мл/(кг·мин). [24] Расчетный V̇O 2 max для вилорогих антилоп составлял до 300 мл/(кг·мин). [25]
Факторы, влияющие на V̇O 2, можно разделить на предложение и спрос. [26] Предложение — это транспорт кислорода из легких в митохондрии (объединяющий функцию легких , сердечный выброс , объем крови и плотность капилляров скелетных мышц), в то время как спрос — это скорость, с которой митохондрии могут восстанавливать кислород в процессе окислительного фосфорилирования . [26] Из них факторы предложения могут быть более ограничивающими. [26] [27] Однако также утверждалось, что в то время как тренированные субъекты, вероятно, ограничены предложением, нетренированные субъекты действительно могут иметь ограничение спроса. [28]
Общие характеристики, которые влияют на V̇O 2 max, включают возраст, пол , физическую подготовку и высоту. V̇O 2 max может быть плохим предиктором производительности у бегунов из-за различий в экономичности бега и устойчивости к усталости во время длительных упражнений. Тело работает как система. Если один из этих факторов ниже среднего, то нормальная производительность всей системы снижается. [28]
Препарат эритропоэтин (ЭПО) может значительно повысить V̇O 2 max как у людей, так и у других млекопитающих. [29] Это делает ЭПО привлекательным для спортсменов в видах спорта на выносливость , таких как профессиональный велоспорт. ЭПО был запрещен с 1990-х годов как запрещенное вещество, повышающее производительность , но к 1998 году он стал широко распространенным в велоспорте и привел к делу Фестины [30] [31] , а также был повсеместно упомянут в отчете USADA 2012 года о команде профессиональных велогонщиков почтовой службы США . [32] Грег ЛеМонд предложил установить базовый уровень для V̇O 2 max (и других характеристик) гонщиков, чтобы обнаружить аномальное увеличение производительности. [33]
V̇O 2 max/peak широко используется в качестве индикатора кардиореспираторной подготовки (CRF) в отдельных группах спортсменов или, реже, у людей, проходящих оценку риска заболевания. В 2016 году Американская кардиологическая ассоциация (AHA) опубликовала научное заявление, в котором рекомендовала, чтобы CRF — количественно определяемый как V̇O 2 max/peak — регулярно оценивался и использовался в качестве клинического жизненно важного показателя; эргометрия (измерение мощности упражнений) может использоваться, если V̇O 2 недоступен. [34] Это заявление было основано на доказательствах того, что более низкие уровни физической подготовки связаны с более высоким риском сердечно-сосудистых заболеваний, смертности от всех причин и показателями смертности. [34] В дополнение к оценке риска, рекомендация AHA привела значение измерения физической подготовки для проверки предписаний упражнений , консультирования по физической активности и улучшения как управления, так и здоровья людей, проходящих оценку. [34]
Метаанализ когортных исследований наблюдения 2023 года показал обратную и независимую связь между VO 2 max и риском смертности от всех причин. [35] Каждое метаболическое эквивалентное увеличение оценочной кардиореспираторной выносливости было связано с 11%-ным снижением смертности. [35] Верхняя треть показателей VO 2 max представляла собой 45%-ное снижение смертности у людей по сравнению с нижней третью. [35]
По состоянию на 2023 год показатель V̇O 2 max редко используется в повседневной клинической практике для оценки кардиореспираторной выносливости или смертности из-за его значительной ресурсоемкости и затрат. [36] [37]
Британский физиолог Арчибальд Хилл ввел понятия максимального потребления кислорода и кислородного долга в 1922 году. [38] [27] Хилл и немецкий врач Отто Мейерхоф разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1922 года за их независимую работу, связанную с метаболизмом энергии в мышцах. [39] Основываясь на этой работе, ученые начали измерять потребление кислорода во время упражнений. Основные вклады были сделаны Генри Тейлором из Университета Миннесоты , скандинавскими учеными Пер-Олофом Острандом и Бенгтом Салтином в 1950-х и 60-х годах, Гарвардской лабораторией усталости , немецкими университетами и Копенгагенским центром исследований мышц. [40] [41]