最大摄氧量主要限制因素的研究进展

裴庆

摘  要：最大攝氧量作为评价有氧能力的“金标准”，在体育竞赛、大众健康与临床医疗等方面的应用都十分广泛。而有氧能力的主要限制因素一直具有争议，本文从血液运氧能力、心脏泵血功能、换气能力及肌肉对氧的利用能力四个方面总结目前已有的研究进展。

关键词：最大摄氧量，限制因素，心肺功能，氧利用率

中图分类号：G80       文献标识码 ：A     文章编号：1002-7475（2019）02-074-02

1最大摄氧量的提出和定义

所谓最大摄氧量，其主要指的是人体在单位时间以内人体经过长时间剧烈运动的过程中肌肉以及心肺等对于氧气的获取能力所达到的极限水平，通常最大摄氧量往往也被人们称为最大吸氧量以及最大耗氧量，此参数通常由VO2max来进行表示[1]。

最早是由学者Hill和Herbst在1920年发现并定义“最大摄氧量（VO2max）”的概念[2]，至今已经有80多年。这一概念随即被许多世界著名的运动生理学家验证[3-7]，并且被深入挖掘和拓展。

Hill等人认为最大摄氧量的基本定义存在于四个方面：（1）虽然人体的VO2max水平可以通过训练有所提高，但是只能在一定范围内提高，并且一定存在着上限;（2）VO2max存在个体差异性，并且受到遗传的影响;（3）VO2max水平是耐力性项目取得成绩的关键因素;（4）VO2max并非可以无限提升的，通常是受到心肺系统为肌肉在输送氧气方面的能力所影响。

自从最大摄氧量这种概念被人们认识到以来，最大摄氧量相关理论在体育界里面被广泛应用。特别是最近时间段，最大摄氧量被美国心脏病学会列为与呼吸、脉搏、体温、血压同等重要的人体基本生命体征之一[8]。对于普通大众和健身人群，最大摄氧量可以用来制定运动处方、评价运动强度和身体的有氧适应;对于运动员选材可以测量评价青少年运动员有氧能力、运动潜力和心肺功能;对于临床患者可以评定其器官功能状态、康复治疗效果。其同年龄、身高以及体重等均作为针对人体生理特征进行描述的参数变量指标。

2最大摄氧量的限制因素

氧气从大气到线粒体的途径包含一系列步骤，每个步骤都可能对氧气的通过产生限制和障碍。可以限制VO2max的生理因素包括：肺扩散能力、骨骼肌特征、最大心输出量以及血液携氧能力。除了骨骼肌属于外周因素以外，其余三个因素均属于中心因素。

2.1肺扩散能力

有研究显示在零海拔维度运动的普通受试者中，实验人员动脉血液其氧饱和度并没有呈现下降趋势，即便出现极限强度条件下，实验人员在动脉氧饱和度方面（%SaO2）仍保持在95%左右。Hill等人预测，即使在极限强度的运动中动脉饱和度也不会出现显著下降。但是由于红细胞在毛细血管中以高工作速率通过，肺泡的气体交换过程可能并不完整[9]。

2.2最大心输出量

希尔等人提出最大心输出量是解释VO2max个体差异的主要因素。1915年，Lindhard测量了运动期间受试者的心输出量，并证实了心输出量与VO2之间的强烈线性关系[10]。今天，我们知道在久坐和训练有素的同龄男性和女性中观察到的正常范围的VO2max值主要是由于最大每搏输出量的变化，因为最大心率和系统性的氧气摄入的提升空间非常微小。在去极限强度的运动中几乎所有可用的氧气都是从进入运动肌肉的动脉血液中提取的。在极限强度运动下的肌肉中的动静脉氧差可以达到10倍左右[11]。

2.3血液载氧能力

另一种改变运动中肌肉氧气运输的方法是提高血液中血红蛋白（Hb）的含量。这一方法也称之为“血液兴奋剂”或者血液回输。血液兴奋剂是通过抽取，储存和随后再次输入身体增加人体总红细胞体积的做法。Gledhill[12-13]完成了15-20项研究的综合评估，这些研究检查了血液兴奋剂的影响。回输900-1，350mL血液方式能够提升血液自身携氧能力。根据双盲研究实验发现，该方法已显示VO2Omax增加4-9%。

2.4骨骼肌限制

（1）外周扩散：在关于VO2max的限制因素的专题讨论会上，Honig[14]等人提出了红色犬肌肉外周O2扩散限制的证据，根据他们的实验和数学模型，氧气扩散阻滞主要部位发生在红细胞表面和肌纤维膜之间，在这个很短的距离内氧分压大幅度下降。他们由此得出结论：氧气的运输本身不是限制因素，而是需要一个相对于血液氧分压更低的细胞内氧分压来维持氧扩散的驱动能力，从而加强氧气的传导。（2）线粒体酶水平：在肌肉纤维内，线粒体是消耗O2过程中的电子传递链上的最后位点。理论上，将线粒体数量增加一倍能够提升肌肉当中对于氧气摄取位点数目，且在数量上面提升一倍。但是结合针对人体的研究工作结果显示，即便将线粒体酶含量提升2.2倍，然而针对所测得的最大摄氧量水平仅仅存在一定提升（20-40%）[15]。 （3）毛细血管密度：安德森以及亨利金逊等人在1977年所做的研究实验结果中显示，当训练强度提升的过程中人体毛细血管密度也会不断提升[16]。但是，也有其他研究结果显示，最大摄氧量水平同股外侧毛细血管数量之间有着紧密联系。因此，针对训练而言其主要作用并非增加毛细血管密度所引起，而关键是延长或者维持其平均通过时间。

中央或周边限制总结：在全身运动中VO2max主要受心输出量的限制。对于小肌肉群的运动，心输出量的作用则相当不重要[17]。关于外周限制的结论不适用于在高强度下的全身运动中测量的VO2max，后面的结论与他们早期的工作没有冲突。目前的观点是，在骑自行车或跑步测试期间，最大心输出量是VO2max的主要限制因素。

参考文献：

[1]王瑞元.运动生理学[M].北京：人民体育出版社，2010.

[2] Hill AV， Long CNH， Lupton H. Muscular exercise， lactic acid， and the supply and utilisation of oxygen[J]. Ergebnisse Der Physiologie， 1925，24（1）：43-51.

[3] strand ， P.-O. Experimental Studies of Physical Working Capacity in Relation to Sex and Age. [J]. Copenhagen： Ejnar Munksgaard， 1952， pp. 23-27.

[4] Costill ， D. L.， H. Thomason ， and E. R OBERTS . Fractional utilization of the aerobic capacity during distance running. [J] Med. Sci. Sports Exerc. 5：248–252， 1973.

[5] Mitchell ， J. H.， B. J. Sproule . The physiological meaning of the maximal oxygen intake test. J. Clin. Invest. 37：538–547， 1958.