VO2max: что его ограничивает — лёгкие, сердце или мышцы — и насколько точны оценки

VO2max часто называют мерой того, «насколько хорошие у человека лёгкие». Физиология говорит точнее: у здоровых людей потолок задаётся в основном тем, сколько кислорода могут доставить сердце и кровь, а лёгкие становятся ограничением только в особых ситуациях. Ниже — что ограничивает это число, что в нём меняется с возрастом и насколько точны разные способы его получить, от лабораторного теста до часов.

Насколько сильно число связано с продолжительностью жизни, разобрано отдельно: VO2max и продолжительность жизни: насколько велика связь и у кого она сильнее. Основы показателя — здесь.

Одно уравнение из трёх частей

Потребление кислорода подчиняется принципу Фика: оно равно количеству крови, которое сердце перекачивает за минуту (сердечный выброс), умноженному на то, сколько кислорода ткани забирают из каждого литра этой крови (артериовенозная разница по кислороду). Сердечный выброс, в свою очередь, — это ударный объём, умноженный на частоту сердечных сокращений. Обзор Levine 2008 года в Journal of Physiology описывает VO2max как характеристику, ограниченную ровно этими слагаемыми: сколько крови левый желудочек выбрасывает за удар, как часто он сокращается и сколько кислорода извлекается.

Значит, за одним числом стоит цепочка: лёгкие насыщают кровь кислородом, сердце и кровь его несут, мышцы извлекают и используют. Практический вопрос — какое звено самое слабое.

Что задаёт потолок у здоровых людей

Классический обзор Bassett и Howley (2000) сводит три линии доказательств, и все три указывают на доставку кислорода, а не на его извлечение мышцей:

• когда доставку меняют намеренно — с помощью кровяного допинга, давая дышать воздухом с меньшим содержанием кислорода или замедляя сердце бета-блокаторами, — VO2max меняется в ту же сторону;

• рост VO2max при тренировках идёт главным образом за счёт большего максимального сердечного выброса, а не большего извлечения;

• небольшая группа мышц, к которой подводят больше крови, чем обычно, потребляет кислород с очень высокой скоростью — мышца способна взять больше, чем организм целиком может ей принести.

Вывод авторов: у человека при нагрузке главный ограничитель VO2max — доставка, а метаболические перестройки в мышце важны прежде всего для выносливости ниже максимума. Levine добавляет, что высокий VO2max у элитных спортсменов на выносливость объясняется в первую очередь большим сердечным выбросом: крупное, податливое сердце, которое быстро наполняется.

Наглядный пример — сама кровь. В небольшом эксперименте Ekblom с соавторами (1976, пять испытуемых) после забора 800 мл цельной крови VO2max снизился с 4,27 до 4,03 л/мин, а после обратного переливания эритроцитов примерно через месяц вырос до 4,61 л/мин. Максимальный сердечный выброс, пульс и ударный объём во всех трёх состояниях были одинаковыми. Сердце больше не перекачивало; после переливания прибавка поровну пришлась на больший кислород в артериальной крови и меньший остаток кислорода в венозной.

Когда ограничением всё-таки становятся лёгкие

В большой выборке из общего населения лёгкие тоже не выглядят потолком. У 2 314 участников Фрамингемского исследования, прошедших и нагрузочный тест с газоанализом, и исследование функции лёгких (McNeill с соавт., 2022), меньшие лёгочные объёмы и диффузионная способность сопровождались меньшим пиковым потреблением кислорода — каждый литр ОФВ1 меньше примерно на 7 % ниже пиковый VO2, — но это связь между разными людьми, а не доказательство того, что предел задают лёгкие; сами авторы исходят из того, что у большинства взрослых подготовленность не ограничена механикой дыхания. Более отчётливое исключение имеет название — гипоксемия, вызванная нагрузкой, — и описана она у тренированных и активных людей, а не у неактивных.

• В исследовании Dempsey (1984) у шестнадцати высокотренированных бегунов со средним VO2max около 72 мл/кг/мин у восьми напряжение кислорода в артериальной крови на тяжёлой и максимальной нагрузке падало на 21–35 мм рт. ст. Дыхание слегка обогащённым кислородом это исправляло; авторы связали явление скорее всего с ограничением диффузии, когда кровь проходит через лёгкие очень быстро.

• В исследовании двадцати девяти здоровых молодых женщин, большинство из которых бегали (Harms с соавт., 1998), падение больше чем на 10 мм рт. ст. на максимуме было у двадцати двух, причём почти у половины женщин с выраженной гипоксемией VO2max был в пределах 15 % от расчётной нормы (40–55 мл/кг/мин). У неактивных, менее подготовленных участниц этой выборки гипоксемии не было.

То есть «VO2max ограничивают лёгкие» верно в узком смысле: у части тренированных спортсменов и, по этим данным, у заметной доли активных молодых женщин. Как описание того, чем ограничено число у обычного здорового взрослого, это неверно. Болезни лёгких — отдельная ситуация, и эти работы её не охватывают.

Что меняется с возрастом

VO2max снижается с возрастом, и неравномерно. В Балтиморском продольном исследовании старения (Fleg с соавт., 2005) пиковое потребление кислорода повторно измеряли у 435 мужчин и 375 женщин 21–87 лет без клинической болезни сердца, медиана наблюдения — 7,9 года. Скорость снижения росла примерно от 3–6 % за десятилетие в 20–30 лет до более чем 20 % за десятилетие после 70. Максимальный пульс при этом падал всего на 4–6 % за десятилетие, а кислородный пульс — кислород на одно сокращение сердца — снижался вровень с самим VO2max.

Максимальный пульс с возрастом снижается предсказуемо. В метаанализе 351 исследования с 18 712 участниками и лабораторной работе на 514 здоровых взрослых (Tanaka с соавт., 2001) его описало уравнение 208 − 0,7 × возраст, а не привычное 220 − возраст, которое у пожилых его занижает. Это уравнение для группы: оно описывает среднее, а не конкретного человека.

Что происходит внутри одного человека, проследили в Далласском исследовании постельного режима и тренировок. В 1966 году пятеро двадцатилетних мужчин прошли три недели строгого постельного режима, а затем восемь недель интенсивных тренировок на выносливость. Через тридцать лет (McGuire с соавт., 2001) их VO2max был на 11 % ниже в литрах в минуту (на килограмм падение было больше, с 43 до 31, потому что они прибавили в весе); максимальный сердечный выброс не изменился, потому что меньший максимальный пульс уравновесился большим ударным объёмом, и всё снижение пришлось на худшее извлечение кислорода. Полгода тренировок на выносливость вернули абсолютный VO2max к их исходному уровню 1966 года — но не к уровню, достигнутому после тренировок в двадцать лет, — и тоже за счёт извлечения. Через сорок лет (McGavock с соавт., 2009) картина сменилась: между 50 и 60 годами снижение шло быстрее, и вклад дали и центральные, и периферические звенья. Итоговое падение за сорок лет жизни оказалось сопоставимо с падением после трёх недель постельного режима в двадцать лет — 27 % против 26 %.

Пять человек — очень маленькая группа. Эти данные показывают, что физиологически возможно, а не что происходит в среднем, и не переносятся на женщин и на людей с болезнями.

VO2max или VO2peak

Истинный максимум узнают по плато: нагрузка продолжает расти, а потребление кислорода — нет. Отчётливого плато у многих людей нет, поэтому лаборатории пользуются вторичными критериями — дыхательным коэффициентом, пульсом около расчётного максимума, уровнем лактата. В эксперименте Poole с соавторами (2008) на восьми здоровых мужчинах в рамповом тесте на велоэргометре эти критерии оказались ненадёжными: остановка по самым распространённым порогам дыхательного коэффициента занизила бы VO2max на 27 % и 16 %, а критерии по пульсу и лактату отбраковали бы трёх и шестерых из восьми участников, большинство из которых на деле дошли до плато.

Поэтому в заключениях всё чаще пишут VO2peak — наибольшее значение, достигнутое именно в этом тесте, — а часть протоколов добавляет короткую подтверждающую нагрузку. Это не педантизм: один и тот же человек может получить два разных числа в зависимости от того, когда и почему тест остановили.

Насколько число гуляет от теста к тесту

Даже при прямом газоанализе число не застывшее. В работе Katch с соавторами (1982) пятеро тренированных людей прошли каждый от 8 до 20 тестов на беговой дорожке за две–четыре недели; общий разброс составил около ±5,6 %, и больше 90 % его пришлось на собственную изменчивость человека день ото дня, а не на погрешность оборудования. В более свежей работе на десяти умеренно тренированных молодых мужчинах (Succi с соавт., 2023) повторяемость была отличной — коэффициент вариации около 2 %, минимальная различимая разница около 2,9 мл/кг/мин.

Важен и тренажёр. В исследовании 41 человека — пациентов с сердечной недостаточностью и ишемической болезнью плюс десяти здоровых (Myers с соавт., 1991) — максимальное потребление кислорода на протоколах беговой дорожки было в среднем на 16 % выше, чем на велоэргометре. Сравнивать результат с дорожки и результат с велоэргометра — значит сравнивать разное.

Оценки без газоанализа

Большинство людей тест с газоанализом не проходят никогда. Их число получено формулой, и у каждой формулы известная погрешность.

• Тест ходьбы на одну милю (Kline с соавт., 1987) — Что входит: время ходьбы, пульс в конце, возраст, вес, пол — Точность в исследованиях разработки: 343 здоровых взрослых 30–69 лет; на проверочной выборке r = 0,92, стандартная ошибка около 0,36 л/мин

• Модель без нагрузки (Jackson с соавт., 1990) — Что входит: пол, возраст, состав тела, активность со слов человека — Точность в исследованиях разработки: 2 009 человек, женщин меньше 10 %; стандартная ошибка около 5,3–5,6 мл/кг/мин

• Модель без нагрузки, HUNT (Nes с соавт., 2011) — Что входит: возраст, талия, досуговая активность, пульс покоя — Точность в исследованиях разработки: 4 260 в финальных моделях (из 4 637 здоровых норвежцев); стандартная ошибка 5,70 мл/кг/мин у мужчин и 5,14 у женщин; объяснено 61 % и 56 % разброса

Стандартная ошибка около 5 мл/кг/мин выглядит небольшой, но для сравнения: пятидесятый процентиль у мужчин 20–29 лет в американском регистре FRIEND — около 48 мл/кг/мин, у мужчин 70–79 лет — около 24 (Kaminsky с соавт., 2015; тесты на беговой дорожке у 7 783 взрослых без сердечно-сосудистых болезней). Ошибка такого размера может сдвинуть человека на целую ступень такой шкалы. Формулы хорошо работают для групп и хуже — для одного человека.

Часы

Часы тоже оценивают, а не измеряют. В метаанализе четырнадцати валидационных исследований (Molina-Garcia с соавт., 2022) — всего 403 участника, в основном молодые взрослые, объединённый средний возраст около 25 лет:

• устройства, чьи алгоритмы опираются на данные покоя, завышали VO2max в среднем на 2,17 мл/кг/мин, пределы согласия — примерно от −13 до +17;

• устройства, использующие данные нагрузки, почти не имели среднего смещения (−0,09), но пределы согласия были около ±10 мл/кг/мин.

Вывод авторов: на уровне популяции оценки по нагрузке выглядят приемлемо, а ошибка для отдельного человека велика, и для спортивных и клинических задач методы нужно улучшать.

В небольшом валидационном исследовании Apple Watch Series 7 (Caserman с соавт., 2024; девятнадцать человек 18–63 лет) часы давали в среднем 41,4 мл/кг/мин против 45,9 в лаборатории, средняя абсолютная процентная ошибка — около 16 %; надёжность совпадения была низкой. Лабораторным эталоном в этой работе служил тест на велоэргометре — который, как сказано выше, сам обычно даёт число ниже, чем беговая дорожка. Авторы также сообщают, что часы завышали VO2max у людей с низкой подготовленностью и занижали у людей с отличной — но в подгруппах всего из трёх и пяти человек.

Что из этого следует для чтения своего числа

• Лабораторный результат с газоанализом — эталон, но и он колеблется на несколько процентов от теста к тесту, а результат на велоэргометре обычно ниже, чем на дорожке.

• Результат по формуле или с часов несёт ошибку в несколько мл/кг/мин на человека. Сравнение его с процентилями из регистров с газоанализом в лучшем случае приблизительное.

• Изменение на пару единиц между двумя замерами может быть шумом, а не сдвигом — в лаборатории, а на запястье тем более.

• Собственный ряд на одном и том же методе значит больше, чем одно число. Смотреть его разумно рядом с другими показателями: пульсом покоя, давлением, составом тела.

Чего исследования не показывают: что один метод подходит всем и что оценка с часов может заменить клинический тест там, где он нужен. Стоит ли проходить лабораторный тест и как читать его результат — вопрос к врачу, который видит всю картину.

Материал носит информационный характер и не заменяет консультацию врача. Решения о нагрузочном тестировании и тренировочной нагрузке принимаются вместе с врачом, который знает вашу ситуацию.