การออกกำลังกายใช้ออกซิเจน

การออกกำลังกายใช้ออกซิเจน หรือ คาร์ดิโอ หรือ การออกกำลังกายแบบแอโรบิก () เป็นการออกกำลังกายตั้งแต่เบาจนถึงหนักซึ่งใช้ออกซิเจนในกระบวนการสร้างพลังงาน
แอโรบิก ในภาษาอังกฤษหมายถึง "สัมพันธ์กับ เกี่ยวกับ หรือต้องใช้ออกซิเจนอิสระ"
และหมายถึงการใช้ออกซิเจนเพื่อให้ได้พลังงานพอระหว่างออกกำลังกายผ่านเมแทบอลิซึมที่ใช้ออกซิเจน
ทั่วไปแล้วกิจกรรมตั้งแต่เบาจนถึงปานกลางที่สามารถรองรับได้อย่างเพียงพอด้วยเมแทบอลิซึมซึ่งใช้ออกซิเจน จะทำได้เป็นเวลานาน ๆ
ตัวอย่างรวมทั้งการวิ่งทางไกล (คือ จ๊อกกิ้ง) การว่ายน้ำ การปั่นจักรยาน และการเดิน

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

การออกกำลังกายแบบแอโรบิกและสมรรถภาพทางกายมักเปรียบกับการออกกำลังกายแบบอะเนโรบิก ซึ่งมีการฝึกเพื่อสร้างความแข็งแกร่งและการวิ่งระยะสั้นเป็นตัวอย่างเด่นที่สุด
การออกกำลังกายทั้งสองต่างกันโดยช่วงเวลาและความเข้มของการใช้กล้ามเนื้อที่เกี่ยวข้อง และโดยปริมาณพลังงานที่สร้างขึ้นในกล้ามเนื้อ

งานวิจัยปี 2013 เรื่องความเป็นอวัยวะหลั่งสารของกล้ามเนื้อได้แสดงว่า การออกกำลังกายทั้งแบบแอโรบิกและอะเนโรบิกโปรโหมตการหลั่งไมโอคีน (myokine)
ซึ่งมีประโยชน์รวมทั้งทำให้เนื้อเยื่อใหม่งอก ซ่อมแซมเนื่อเยื่อ มีบทบาทต่าง ๆ ในการต้านการอักเสบ และดังนั้น จึงลดความเสี่ยงการเกิดโรคเนื่องกับการอักเสบต่าง ๆ 
การหลั่งไมโอคีนขึ้นอยู่กับปริมาณ ช่วงเวลา และความเข้มที่ใช้กล้ามเนื้อ
ดังนั้น การออกกำลังกายทั้งสองแบบจึงมีประโยชน์เยี่ยงนี้

อนึ่ง ในสถานการณ์เกือบทุกอย่าง การออกกกำลังกายแบบอะเนโรบิกจะเกิดพร้อมกับแบบแอโรบิก เพราะเมแทบอลิซึมแบบอะเนโรบิกที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าจะต้องใช้เสริมเพราะต้องใช้พลังงานเกินศักยภาพของระบบแอโรบิก
ดังนั้น ที่เรียกว่าการออกกำลังกายแบบใช้ออกซิเจนอาจเรียกได้อย่างแม่นยำมากกว่าเป็นแบบ "ใช้ออกซิเจนโดยส่วนเดียว" เพราะออกกำลังไม่หนักพอสร้างแล็กเตต (lactate) ผ่านกระบวนการหมักไพรูเวต (pyruvate fermentation) ดังนั้น จึงเป็นการแปรพลังงานที่ได้ทั้งหมดจากคาร์โบไฮเดรตโดยใช้ออกซิเจน

เบื้องต้นเมื่อเริ่มออกแรง ไกลโคเจนในกล้ามเนื้อจะสลายเป็นกลูโคส ที่จะผ่านไกลโคไลซิสแล้วสร้างไพรูเวต ซึ่งก็จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจน (วัฏจักรกรดซิตริก, Chemiosmosis) แล้วสร้างคาร์บอนไดออกไซด์กับน้ำขณะที่ปล่อยพลังงาน
แต่ถ้าขาดออกซิเจน (เช่น ในการออกกำลังกายแบบอะเนโรบิก เมื่อต้องเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็ว) คาร์โบไฮเดรตจะหมดเร็วขึ้นเพราะ pyruvate จะหมักให้เป็นแล็กเตต
ด้งนั้น ถ้าการออกกำลังกายเข้มเกินอัตราที่ระบบหัวใจร่วมหลอดเลือดจะสามารถจัดส่งออกซิเจนให้กล้ามเนื้อได้ ผลก็คือการสะสมแล็กเตตซึ่งจะทำให้ออกกำลังกายต่อไปไม่ได้อย่างรวดเร็ว
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
การเล่นเทนนิสเดี่ยวที่ต้องขยับตัวอยู่เกือบตลอด โดยทั่วไปจัดเป็นกิจกรรมแบบแอโรบิก แต่การเล่นกอล์ฟหรือเทนนิสคู่ ที่ขยับตัวระยะสั้น ๆ สลับกับพักที่มีมากกว่า อาจไม่ใช่การออกกำลังกายแบบแอโรบิกโดยหลัก
ดังนั้น กีฬาบางชนิดจึงเป็นแบบแอโรบิกโดยธรรมชาติ เทียบกับการออกกำลังกายแบบแอโรบิก เช่น การเต้นแอโรบิก ที่ออกแบบโดยเฉพาะเพื่อเพิ่มสมรรถภาพทางแอโรบิกและสมรรถภาพทางกาย
ซึ่งมักรวมการใช้กล้ามเนื้อขาโดยหลักหรือโดยส่วนเดียว
แม้จะมีข้อยกเว้นบ้าง
ยกตัวอย่างเช่น การพายเรือเป็นระยะ 2,000 เมตรหรือยิ่งกว่าเป็นกีฬาแอโรบิกซึ่งออกกำลังกล้ามเนื้อหลายกลุ่ม รวมทั้งขา ท้อง หน้าอก และแขน

ประโยชน์ของการออกกำลังกายแบบแอโรบิกอย่างสม่ำเสมอรวมทั้ง

งานวิเคราะห์อภิมานงานหนึ่งสำรวจงานศึกษาหลายงานแล้วแสดงว่า การออกกำลังกายแบบแอโรบิกช่วยลดระดับ Hb A ของคนไข้เบาหวานชนิด 2
ดังนั้น การออกกำลังกายแบบนี้จึงลดความเสี่ยงตายเพราะปัญหาหัวใจร่วมหลอดเลือด
อนึ่ง กิจกรรมแบบแอโรบิกที่มีระดับการกระทบกระทั่งสูง เช่น จ๊อกกิ้งหรือกระโดดเชือก อาจกระตุ้นให้กระดูกงอก และลดความเสี่ยงภาวะกระดูกพรุนสำหรับทั้งชายหญิง

นอกเหนือประโยชน์ทางสุขภาพ การออกกำลังกายแบบแอโรบิกยังทำให้ร่างกายมีประสิทธิภาพมากขึ้นรวมทั้ง

ข้อเสียของการออกกำลังกายแบบแอโรบิกรวมทั้ง

ทั้งประโยชน์ทางสุขภาพและทางประสิทธิผล อันเป็นผลการฝึก จะได้ก็ต่อเมื่อออกกำลังกายนานพอและบ่อยพอ
แหล่งอ้างอิงโดยมากแนะนำให้ทำอย่างน้อย 20 นาที 3 ครั้งต่อสัปดาห์
นพ. คูเปอร์เองนิยามการออกกำลังกายแบบแอโรบิกว่า เป็นสมรรถภาพในการใช้ออกซิเจนในระดับสูงสุดเมื่อทำงานหนัก
และได้อธิบายประโยชน์ทางสุขภาพหลัก ๆ บางอย่างรวมทั้งประสิทธิภาพของปอดเพราะเพิ่มสมรรถภาพการหายใจในระดับสูงสุด ซึ่งทำให้สามารถเวียนอากาศมากกว่าในระยะเวลาที่สั้นกว่า
เมื่อศักยภาพการหายใจสูงขึ้น ก็จะสามารถดูดออกซิเจนเข้าไปในเลือดได้เร็วขึ้น และเพิ่มกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์
หัวใจจะทำงานอย่างมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น โดยปริมาตรเลือด, จำนวนเฮโมโกลบินและเม็ดเลือดแดงก็จะสูงขึ้น ซึ่งเพิ่มสมรรถภาพการขนส่งออกซิเจนจากปอดไปยังกล้ามเนื้อ
เมแทบอลิซึมจะดีขึ้น ทำให้สามารถบริโภคแคลอรีได้สูงขึ้นโดยไม่เพิ่มน้ำหนัก
อาจช่วยชะลอภาวะกระดูกพรุนเพราะมีมวลกล้ามเนื้อสูงขึ้น ลดไขมัน และเพิ่มความหนาแน่นของกระดูก
เมื่อสิ่งเหล่านี้ดีขึ้น โอกาสเป็นเบาหวานก็จะลดลงเพราะกล้ามเนื้อเผาน้ำตาลได้ดีกว่าไขมัน
ประโยชน์หลักอย่างหนึงก็คือน้ำหนักอาจลดลงอย่างช้า ๆ 
แต่จะลดเร็วขึ้นถ้าจำกัดแคลอรีที่ทานด้วย ดังนั้น จึงลดการเกิดโรคอ้วน
สมรรถภาพทางแอโรบิกหมายถึงสมรรถภาพการทำงานของระบบหัวใจและการหายใจ คือ หัวใจ ปอด และหลอดเลือด
คือออกซิเจนจำนวนมากที่สุดร่างกายใช้ได้ในช่วงการออกกำลังกายอย่างหนัก ภายในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ๆ
เป็นฟังก์ชันของทั้งสมรรถภาพทางระบบหัวใจและการหายใจ และสมรรถภาพการเอาออกซิเจนมาใช้จากเลือดไหลเวียน

เพื่อวัดสมรรถภาพสูงสุด แพทย์อาจตรวจ VO max ซึ่งคนไข้จะต้องออกกำลังกายหนักขึ้น ๆ บนสายพาน เริ่มตั้งแต่เดินสบาย ๆ จนถึงวิ่งจนหมดแรง
โดยคนไข้จะใส่หน้ากากเพื่อวัดการใช้ออกซิเจน และความเร็วสายพานจะเพิ่มขึ้นเป็นระยะ ๆ 
ค่าวัดยิ่งสูงเท่าไรสำหรับระดับความคงทนของระบบหัวใจและการหายใจ ก็มีออกซิเจนที่ขนส่งไปให้กล้ามเนื้อที่ออกกำลังมากขึ้นเท่านั้น และคนไข้นั้น ๆ ก็สามารถออกกำลังได้หนักมากขึ้นเท่านั้น
พูดง่าย ๆ ก็คือ สมรรถภาพการใช้ออกซิเจนยิ่งมากเท่าไร ก็มีสมรรถภาพทางแอโรบิกสูงขึ้นเท่านั้น
การทดสอบด้วย Cooper test หรือ multi-stage fitness test สามารถใช้ประเมินสมรรถภาพการใช้ออกซิเจนของบุคคลในกิจกรรรมหรืองานใดงานหนึ่งโดยเฉพาะ

ระดับที่สมรรถภาพการใช้ออกซิเจนสามารถเพิ่มได้ด้วยการออกกำลังกายต่างกันมากในประชากรมนุษย์
แม้การเพิ่ม VOmax เฉลี่ยโดยเป็นการตอบสนองต่อการฝึกจะอยู่ที่ 17% 
กลุ่มประชากรแต่ละกลุ่มก็จะมีผู้ที่ตอบสนองได้ดีมาก คืออาจเพิ่มสมรรถภาพได้เป็นทวีคูณ และก็จะมีผู้ที่ตอบสนองได้ไม่ดี คือแทบไม่ได้หรือไม่ได้ประโยชน์จากการฝึกเลย
งานศึกษาต่าง ๆ ได้แสดงว่า ประมาณ 10% ของบุคคลที่มีสุขภาพปกติจะไม่สามารถเพิ่มสมรรถภาพการใช้ออกซิเจนด้วยการออกกำลังกายได้เลย
และระดับการตอบสนองจะสืบทอดเชื้อสายได้ ซึ่งแสดงว่าพันธุกรรมเป็นตัวกำหนดลักษณะปรากฏเช่นนี้

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