การออกกำลังกายใช้ออกซิเจน

ประวัติชาวตะวันตก

แพทย์สรีรวิทยาชาวอังกฤษ อาร์คิบอลด์ ฮิลล์ (Archibald Hill) ได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับการรับออกซิเจนเข้าเซลล์สูงสุด (maximal oxygen uptake, VO2 max) ในปี 1922
ต่อมาฮิลล์และแพทย์ชาวเยอรมันอีกท่านหนึ่ง (Otto Meyerhof) ได้ร่วมรับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ปี 1922 เพราะงานที่ทำต่างหาก ๆ ในเรื่องเมแทบอลิซึมของพลังงานในกล้ามเนื้อ
อาศัยงานนี้ นักวิทยาศาสตร์ต่อมาจึงเริ่มวัดการใช้ออกซิเจนเมื่อออกกำลังกาย
หลังจากสงครามโลกครั้งที่สอง กิจกรรมเพื่อสุขภาพและเพื่อหย่อนใจแบบรายบุคคล (ไม่ได้รวมกลุ่ม) เช่น จ๊อกกิ้ง ก็เริ่มได้ความนิยม
แผนการออกกำลังกายของกองทัพอากาศแคนาดาที่พิมพ์ในปี 1961 ได้ช่วยตั้งวัฒนธรรมการออกกำลังกายดังที่มีในปัจจุบัน
ในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1970 การวิ่งจึงได้ความนิยมมากขึ้นโดยได้แรงดลใจจากกีฬาโอลิมปิก
ในคริสต์ทศวรรษ 1960 นาวาอากาศเอก นพ. เค็นเน็ท คูเปอร์ แห่งกองทัพอากาศสหรัฐได้สนับสนุนแนวคิดเรื่องการออกกำลังกายแบบแอโรบิก
โดยได้ทำงานวิจัยขนาดใหญ่เป็นครั้งแรกกับบุคลากรของกองทัพอากาศกว่า 5,000 คน
หลังจากได้ไอเดียจากความเชื่อว่า การออกกำลังกายอาจช่วยรักษาสุขภาพ
ซึ่งต่อมาเขาได้พิมพ์ในหนังสือปี 1968 คือ "Aerobics"
ในปี 1970 หมอจึงได้ตั้งสถาบันไม่แสวงหาผลกำไรของตนเอง (Cooper Institute) เพื่อทำงานวิจัยและให้การศึกษาในเรื่องเวชกรรมป้องกัน (preventive medicine) แล้วตีพิมพ์หนังสือสำหรับมวลชนคือ "The New Aerobics" ในปี 1979
หมอส่งเสริมให้คนเป็นล้าน ๆ ออกกำลังกาย ดังนั้น ปัจจุบันจึงได้ชื่อว่า "บิดาของแอโรบิก"
การเต้นแอโรบิกได้พัฒนาขึ้นเป็นรูปแแบบการออกกำลังกายในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1970 แล้วได้รับความนิยมทั่วโลกในคริสต์ทศวรรษ 1980 หลังนักแสดงหญิงคือ เจน ฟอนดาได้ออกวิดีโอแอโรบิกในปี 1982

การออกกำลังกายแบบแอโรบิกและแบบอะแนโลบิก

การออกกำลังกายแบบแอโรบิกกับสมรรถภาพทางกายมักเปรียบกับการออกกำลังกายแบบอะแนโรบิก ซึ่งมีการฝึกเพื่อสร้างความแข็งแกร่งและการวิ่งระยะสั้นเป็นตัวอย่างเด่นที่สุด
การออกกำลังกายทั้งสองแบบต่างกันโดยช่วงเวลาและความเข้มของการใช้กล้ามเนื้อที่เกี่ยวข้อง และโดยปริมาณพลังงานที่สร้างขึ้นในกล้ามเนื้อ
งานวิจัยปี 2013 เรื่องความเป็นอวัยวะหลั่งสารของกล้ามเนื้อได้แสดงว่า การออกกำลังกายทั้งแบบแอโรบิกและอะแนโรบิกโปรโหมตการหลั่งไมโอคีน (myokine)
ซึ่งมีประโยชน์รวมทั้งทำให้เนื้อเยื่อใหม่งอก ซ่อมแซมเนื่อเยื่อ มีบทบาทต่าง ๆ ในการต้านการอักเสบ และดังนั้น จึงลดความเสี่ยงการเกิดโรคต่าง ๆ เนื่องกับการอักเสบ
การหลั่งไมโอคีนขึ้นอยู่กับปริมาณ ช่วงเวลา และความเข้มที่ใช้กล้ามเนื้อ
ดังนั้น การออกกำลังกายทั้งสองแบบจึงมีประโยชน์เยี่ยงนี้
อนึ่ง ในสถานการณ์เกือบทุกอย่าง การออกกกำลังกายแบบอะแนโรบิกจะเกิดพร้อมกับแบบแอโรบิก เพราะเมแทบอลิซึมแบบอะแนโรบิกที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าจะต้องใช้เสริมเพราะต้องใช้พลังงานเกินศักยภาพของระบบแอโรบิก
ดังนั้น ที่เรียกว่าการออกกำลังกายแบบใช้ออกซิเจนอาจเรียกได้อย่างแม่นยำมากกว่าเป็นแบบ "ใช้ออกซิเจนโดยส่วนเดียว" เพราะออกกำลังไม่หนักพอสร้างแล็กเตต (lactate) ผ่านกระบวนการหมักไพรูเวต (pyruvate fermentation) ดังนั้น จึงเป็นการแปรพลังงานที่ได้ทั้งหมดจากคาร์โบไฮเดรตโดยใช้ออกซิเจน
เบื้องต้นเมื่อเริ่มออกแรง ไกลโคเจนในกล้ามเนื้อจะสลายเป็นกลูโคส ที่จะผ่านไกลโคไลซิสแล้วสร้างไพรูเวต ซึ่งก็จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจน (วัฏจักรกรดซิตริก, Chemiosmosis) แล้วสร้างคาร์บอนไดออกไซด์กับน้ำขณะที่ปล่อยพลังงาน
แต่ถ้าขาดออกซิเจน (เช่น ในการออกกำลังกายแบบอะแนโรบิก เมื่อต้องเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็ว) คาร์โบไฮเดรตจะหมดเร็วขึ้นเพราะ pyruvate จะหมักให้เป็นแล็กเตต
ด้งนั้น ถ้าการออกกำลังกายเข้มเกินอัตราที่ระบบหัวใจร่วมหลอดเลือดจะสามารถจัดส่งออกซิเจนไปให้กล้ามเนื้อได้ ผลก็คือการสะสมแล็กเตตอย่างรวดเร็วซึ่งจะทำให้ออกกำลังกายต่อไปไม่ได้
ผลไม่พึงประสงค์ของการสะสมแล็กเตตเบื้องต้นรวมทั้งการความรู้สึกร้อนที่กล้ามเนื้อ และในที่สุดอาจรวมความคลื่นไส้หรือแม้แต่อาเจียน ถ้าออกกำลังกายต่อไปโดยไม่พักพอให้กำจัดแล็กเตตออกจากเลือด
เมื่อระดับไกลโคเจนในกล้ามเนื้อเริ่มหมดลง ตับก็จะปล่อยกลูโคสเข้าในเลือด และก็จะเกิดเมแทบอลิซึมอาศัยไขมันมากขึ้นเพื่อให้เชื้อเพลิงแก่วิถีเมแทบอลิซึมที่ใช้ออกซิเจน
ดังนั้น การออกกำลังกายแบบแอโรบิกอาจได้เชื้อเพลิงจากไกลโคเจนสำรอง ไขมันสำรอง หรือจากทั้งสอง ขึ้นอยู่กับความหนักเบา
การออกกำลังกายแบบแอโรบิกหนักกลาง ๆ ที่ 65% VO2 max (หัวใจเต้น 150 ครั้งต่อนาทีสำหรับผู้มีอายุ 30 ปี) จะทำให้ใช้ไขมันเป็นพลังงานมากที่สุด
ในระดับนี้ ไขมันอาจให้พลังงาน 40-60% ทั้งหมดโดยขึ้นอยู่กับระยะเวลาการออกกำลังกาย
ส่วนการออกกำลังกายหนักกว่า 75% VO2max (หัวใจเต้น 160 ครั้งต่อนาที) โดยหลักจะใช้ไกลโคเจนเป็นพลังงาน
ในมนุษย์ผู้ไม่ใช่นักกีฬาเมื่อพัก กล้ามเนื้อหลัก ๆ ในร่างกายปกติจะมีพลังงานพอให้ออกกำลังกายอย่างกระฉับกระเฉงเป็นเวลา 2 ชม.
การหมดไกลโคเจนเป็นเหตุให้หมดแรงอย่างฉับพลัน
แต่ถ้าฝึก หรือออกกำลังหนักน้อยกว่า หรือทานคาร์โบไฮเดรตให้มากในวันก่อนแข่งกีฬา อาจยืดจุดหมดแรงออกไปเกิน 4 ชม.
การออกกำลังกายแบบแอโรบิกมีมากมายหลายอย่าง
โดยทั่วไป จะทำในระดับหนักปานกลางโดยเป็นระยะเวลาค่อนข้างยาว
ยกตัวอย่างเช่น การวิ่งทางไกลที่เร็วปานกลางเป็นการออกกำลังกายแบบแอโรบิก แต่การวิ่งระยะสั้นไม่ใช่
การเล่นเทนนิสเดี่ยวที่ต้องขยับตัวอยู่เกือบตลอดโดยทั่วไปจัดเป็นกิจกรรมแบบแอโรบิก แต่การเล่นกอล์ฟหรือเทนนิสคู่ ที่ขยับตัวระยะสั้น ๆ สลับกับพักที่มีมากกว่า อาจไม่ใช่การออกกำลังกายแบบแอโรบิกโดยหลัก
ดังนั้น กีฬาบางชนิดจึงเป็นแบบแอโรบิกโดยธรรมชาติ เทียบกับการออกกำลังกายแบบแอโรบิกโดยเฉพาะ เช่น การเต้นแอโรบิก ที่ออกแบบเพื่อเพิ่มสมรรถภาพทางแอโรบิกและสมรรถภาพทางกาย
และมักรวมการใช้กล้ามเนื้อขาโดยหลักหรือโดยส่วนเดียว
แม้จะมีข้อยกเว้นบ้าง
ยกตัวอย่างเช่น การพายเรือ 2,000 เมตรหรือยิ่งกว่าเป็นกีฬาแอโรบิกซึ่งออกกำลังกล้ามเนื้อหลายกลุ่มรวมทั้งขา ท้อง หน้าอก และแขน

สมรรถภาพการใช้ออกซิเจน

สมรรถภาพทางแอโรบิกหมายถึงสมรรถภาพการทำงานของระบบหัวใจและการหายใจรวมทั้งหัวใจ ปอด และหลอดเลือด
เป็นออกซิเจนจำนวนมากที่สุดร่างกายใช้ได้ในช่วงการออกกำลังกายอย่างหนัก ภายในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ๆ
เป็นฟังก์ชันของทั้งสมรรถภาพทางระบบหัวใจและการหายใจ และสมรรถภาพการเอาออกซิเจนมาใช้จากเลือดที่ไหลเวียน
เพื่อวัดสมรรถภาพสูงสุด แพทย์อาจตรวจ VO₂ max ซึ่งคนไข้จะต้องออกกำลังกายหนักขึ้น ๆ บนสายพาน เริ่มตั้งแต่เดินสบาย ๆ จนถึงวิ่งจนหมดแรง
โดยคนไข้จะใส่หน้ากากเพื่อวัดการใช้ออกซิเจน และความเร็วสายพานจะเพิ่มขึ้นเป็นระยะ ๆ 
ค่าวัดยิ่งสูงเท่าไรสำหรับระดับความคงทนของระบบหัวใจและการหายใจ ก็มีออกซิเจนที่ขนส่งไปให้กล้ามเนื้อที่ออกกำลังมากขึ้นเท่านั้น และคนไข้นั้น ๆ ก็สามารถออกกำลังได้หนักมากขึ้นเท่านั้น
พูดง่าย ๆ ก็คือ สมรรถภาพการใช้ออกซิเจนยิ่งมากเท่าไร ก็มีสมรรถภาพทางแอโรบิกสูงขึ้นเท่านั้น
การทดสอบด้วย Cooper test หรือmulti-stage fitness test สามารถใช้ประเมินสมรรถภาพการใช้ออกซิเจนของบุคคลในกิจกรรรมหรืองานใดงานหนึ่งโดยเฉพาะ
ระดับที่สมรรถภาพการใช้ออกซิเจนสามารถเพิ่มได้ด้วยการออกกำลังกายต่างกันมากในประชากรมนุษย์
แม้การเพิ่ม VO₂ max เฉลี่ยโดยเป็นการตอบสนองต่อการฝึกจะอยู่ที่ 17% 
กลุ่มประชากรแต่ละกลุ่มก็จะมีผู้ที่ตอบสนองได้ดีมาก คืออาจเพิ่มสมรรถภาพได้เป็นทวีคูณ และก็จะมีผู้ที่ตอบสนองได้ไม่ดี คือแทบไม่ได้หรือไม่ได้ประโยชน์จากการฝึกเลย
งานศึกษาต่าง ๆ ได้แสดงว่า ประมาณ 10% ของบุคคลที่มีสุขภาพปกติจะไม่สามารถเพิ่มสมรรถภาพการใช้ออกซิเจนด้วยการออกกำลังกายได้เลย
และระดับการตอบสนองจะสืบทอดเชื้อสายได้ ซึ่งแสดงว่าพันธุกรรมเป็นตัวกำหนดลักษณะปรากฏเช่นนี้

ทางเลือก

การออกกำลังกายอย่างหนัก เช่น การฝึกออกกำลังกายอย่างหนักสลับกับออกกำลังแบบพักระยะสั้น ๆ (high-intensity interval training, HIIT) เพิ่มอัตราเมแทบอลิซึมเมื่อพัก (resting metabolic rate, RMR) ภายใน 24 ชม. หลังจากออกกำลังกาย
ซึ่งรวม ๆ แล้วใช้แคลอรีมากกว่าการออกกำลังกายที่เบากว่านั้น
ส่วนการออกกำลังแบบเบาจะใช้แคลอรีในระหว่างออกกำลังกายมากกว่า แต่หลังจากนั้นก็ลดลง