среда, 7 октября 2015 г.

Dispelling the Glute Myth

Glute-myth

Here's what you need to know...

  1. You've been lied to. Squats and deadlifts aren't the best exercises for building bigger, stronger glutes.
  2. Most people can contract their glutes harder during body weight glute activation exercises than during their max in squats and deads.
  3. The movements that target glutes the best will activate them with little to no weight. Follow a gradual progression for best results.
  4. The glutes are sleeping giants: Dormant and underused, but having tons of potential.
  5. Bodybuilders, models, and athletes need to be training their glutes based upon their specific needs.
Since 1995 I've read almost every study, article, and book ever written on the glutes. I've also developed several new glute exercises, which are more effective than what most people have traditionally been doing for their glutes. What I've learned will shock you.

Glute Gauges

Early in 2009, I was trained to use electromyography (EMG) software that measures and records the muscular activity of exercises. I suspected that the methods and exercises I developed in my gym were more effective than what the typical fitness publications were printing.
So after performing thirty straight leg workouts and experiments with wires and electrodes attached to me so I could measure and record the glute, quad, hamstring, and adductor activity of over a hundred different hip extension exercises, it became clear that the glutes have been the most wrongly-pegged muscle group in fitness.
I tested common and unique body weight, dumbbell, band, barbell, and machine exercises, and then tested three other individuals with varying anthropometry or body segment lengths to make sure the results I saw weren't atypical.
Knowing that the fitness population would seek scientific explanation to lend support to my data, I knew what my next step needed to be. Fourteen years after reading my first book about glutes, I wrote my own.

The Glute Guy

A colleague nicknamed me "The Glute Guy," and it stuck. I'm certain that I've done more research on the glutes than any other person on earth. My research made me realize two things:
  1. Most experts don't know shit about the glutes. Despite the fact that the gluteus maximus muscles are without a doubt the most important muscles in sports and the fact that strength coaches helped popularized "glute activation," no one has a good understanding of glute training. Bodybuilders, powerlifters, and physical therapists think they do, but they don't. In fact, the experts are so far off the mark that their best glute exercises can only activate half as many fibers as the glute exercises I'm about to show you.
  2. Athletes' glutes are pathetically weak. Even people who think they have strong glutes almost always have weak glutes in comparison to how strong they can get through proper training.

Follow the Logic

Let's keep it brief. Here are the facts:
  • The lower gluteus maximus is involved in three distinct actions; hip extension, hip hyperextension, and hip transverse abduction.
  • The upper gluteus maximus is involved in five different distinct actions; hip extension, hip hyperextension, hip abduction, hip transverse abduction, and hip external rotation.
  • These motions are the most important in sports and include sprinting, leaping, cutting from side to side, and twisting.
  • The strongest joint action at the hip is hip extension/hyperextension.
  • The hip can hyperextend ten degrees with bent legs, twenty degrees with straight legs, and thirty degrees when forcibly pulled back.
  • Hip hyperextension is safe and occurs naturally during walking, running, sprinting, grappling, throwing, lunging, and hip flexor stretching.
  • Length tension relationships dictate that a muscle contracts best when it's at resting length, which means that the gluteus maximus muscles contract the hardest from zero to twenty degrees of hyperextension.
  • Hip flexor flexibility allows for hip hyperextension and is an absolutely critical component to maximum glute activation; tight hip flexors prevent hip hyperextension and maximum glute activation.
  • A vertical jump involves maximal vertical propulsion. A sprint involves maximum horizontal propulsion.
  • A sprint activates 234% more mean gluteus maximus muscle than a vertical jump.
  • Due to the increased glute activation, sprinters commonly experience "butt-lock." Repetitive vertical jumpers experience "quad-lock."
  • In resistance training, there are two distinct types of hip extension exercises: those that mimic vertical jumping and those that mimic sprinting.
  • Hip extension exercises that mimic vertical jumping have vertical or axial directional load vectors and include squats, deadlifts, and static lunges.
  • Hip extension exercises that mimic sprinting have horizontal or anteroposterior directional load vectors, involve hip hyperextension, and include reverse hypers, back extensions, hip thrusts, pendulum quadruped hip extensions, and pull-throughs.
  • Hip extension exercises that mimic jumping will be referred to as hip extension exercises. Hip extension exercises that mimic sprinting will be referred to as hip hyperextension exercises.
  • The propulsion phase of a vertical jump involves simultaneous hip, knee, and ankle extension, whereas sprinting involves hip hyperextension.
  • Hip extension exercises are usually performed while standing.
  • Hip hyperextension exercises are usually performed in the supine, prone, or quadruped positions.
  • Hip hyperextension exercises can be performed with bent legs or straight legs.
  • Straight-leg hip hyperextension exercises maximize hamstring contribution.
  • Bent-leg hip hyperextension exercises place the hamstrings in a shortened state which limits their contribution and maximizes gluteal contribution.
  • In order, the hip extension exercises with the highest glute activation are the kneeling squat (67%), deadlift (55%), sumo deadlift (52%) and Zercher squat (45%).
  • In order, the hip hyperextension exercises with the highest glute activation are the single-leg bent leg reverse hyper (122%), hip thrust (119%), pendulum quadruped hip extension (112%), bent-leg reverse hyper (111%).
  • Hip abduction, transverse abduction, and external rotation exercises often maximally recruit the upper gluteus maximus muscles to a much greater degree than hip extension or hip hyperextension exercises.
  • A well balanced gluteal routine involves hip extension exercises, hip hyperextension exercises, hip abduction exercises, and hip external rotation exercises.

So Here's The Myth

Most people think they have strong glutes but they don't. They're the ones who believe squats, deadlifts, and lunges are the best glute exercises, and they've spent years getting very strong at these.
Squatting, deadlifting, and lunging, can make the glutes sore but they don't strengthen the glutes much. They target the quads and erector spinae. Even box squatting, walking lunges, and sumo deadlifts don't activate much glute in comparison to the exercises below.
If you study glute activation, you'll be blown away by the data. Most individual's glutes contract harder during body weight glute activation exercises than from one-rep max squats and deadlifts.
It's not that people don't know how to use their glutes or don't adhere to proper exercise form. It's just that the glutes aren't maximally involved in squatting, lunging, and deadlifting. They're only maximally contracted from bent-leg hip hyperextension exercises.
Just because someone's glutes are big, it doesn't mean that they're strong. In addition to training around three hundred "normal" clients over the past few years, I've trained elite athletes, from NFL players to powerlifters, sprinters to figure models. I taught each the exercises below, and I almost always had to start them off with their own body weight for resistance.
Although one of the powerlifters could do raw squats and deadlifts with over three times his body weight, when he first performed hip thrusts, he had to start out with two sets of twenty reps with his own body weight. We initially tried using 135 pounds on the hip thrust, which was roughly a third of what he squatted and deadlifted, but he could barely budge the bar.
The NFL players were both 350-pound offensive lineman who'd do hip thrusts for two sets of twenty reps as well. When you weigh 350 pounds, body weight exercises can be very productive! Both linemen mentioned that the hip thrust was the best posterior chain exercise they'd ever performed and remarked about how they loved the fact that they didn't have to wrap their knees or wear a belt to perform the exercise.
The Olympic sprinter had the best relative glute strength of the bunch, easily being able to perform twenty single-leg hip thrusts on his very first workout.

Exercise Progressions

Strength gains for the new exercises come very quickly. I started off using 185 pounds for ten reps on the hip thrust and within a year I could do 405 for five.
The following plan will get your glutes much sexier, stronger, and speedier. Since everyone possesses varying ranges of glute strength, I'm going to provide four phases, which become progressively more challenging and difficult.
If you belong at phase one and start off at phase three, you'll just end up increasing your existing dysfunctional patterns, which will lead to a pulled low back, hamstring, or groin muscle. Play it safe by starting in phase one, then spend two to three weeks in each phase.
I included an array of exercises, some can be performed at your local gym or garage gym, and some will require specialized equipment. The equipment below should become staples in glute training and sport-specific training. They effectively train the sprint-vector and maximize glute activation.
Don't stop performing your squat, lunge, deadlift, and back extensions movements. Do these on your regular leg day and perform two weekly glute workouts on separate days. The workouts will be brief and won't get you very sore. Always begin each glute workout with a simple warm-up consisting of hip flexor stretches and a couple bodyweight glute activation exercises.

Phase One:  Hip Flexor Flexibility and Glute Activation

You must possess adequate hip flexor flexibility in order to open up the hips and maximally activate the glutes. And you must be able to control your own body weight in order to learn how to contract the glutes properly before you begin adding weight.
Perform two sets of hip flexor stretches for sixty-second static holds, progressing deeper into the stretch as time ensues.
hip flexor stretches
Pick two exercises and perform two sets of ten reps with a five-second isometric hold up top:
Glute bridge
GLUTE BRIDGE
Bird dog
BIRD DOG
Hip thrust 1
Hip thrust 2
HIP THRUST
Single-leg glute bridge
SINGLE-LEG GLUTE BRIDGE
Pick one exercise and perform two sets of ten reps with a five-second isometric hold up top:
Lying abduction
LYING ABDUCTION
Clam
CLAM
Fire hydrant
FIRE HYDRANT

Phase Two:  Glute Hypertrophy

Now it's time to progress into more challenging exercises and start packing on some functional glute mass.
Pick two exercises and perform two sets of ten to twenty reps:
Barbell glute bridge
BARBELL GLUTE BRIDGE
Pendulum quadruped hip extension
PENDULUM QUADRUPED HIP EXTENSION
Single-leg hip thrust
SINGLE-LEG HIP THRUST
Weighted bird dog
WEIGHTED BIRD DOG
Pick one exercise and perform two sets of ten to twenty reps:
Band standing abduction
BAND STANDING ABDUCTION
Band seated abduction
BAND SEATED ABDUCTION
Band external rotation 1
Band external rotation 2
BAND EXTERNAL ROTATION

Phase Three:  Glute Strength

At last, we've reached the maximum strength phase. By this time, you'll have developed a superior mind-muscle connection and will be able to maximize your glute activation through heavy strength training.
Pick one exercise and perform four sets of five reps:
Barbell hip thrust
BARBELL HIP THRUST
Bent-leg reverse hyper
BENT-LEG REVERSE HYPER
Bent-leg back extension
BENT-LEG BACK EXTENSION

Phase Four:  Glute Power and Speed

Finally, it's time to test out your new-found glute strength and increased locomotive capacity.
During these sprint sessions, you'll notice increased gluteal recruitment while running, and you'll be able to hold the "sprint position" throughout the entire 100-meter race. Make sure to spend about twenty minutes warming up and progressively increase speed as the sets progress.
Perform these workouts five days apart. On your first sprint session, work your way up to four 100-meter sprints at 80% max-speed. On your second sprint session, work your way up to two 100-meter sprints at 90% max-speed. On your third sprinting session, work your way up to one 100-meter sprint at 100% max-speed. Have a buddy bring a stop-watch and see if you can set a personal record.
When you finish with these phases, you can simply mix together your own glute program based on equipment availability and individual exercise preference. After building up strength on these exercises, your workout will never feel right without having at least one maximum glute-strengthener in your routine. The days of just squatting and deadlifting are long gone.

Tips for Special Populations

Bodybuilders

Most bodybuilders are right on the mark with quad training and way off the mark with glute and hamstring training. Their arsenal of exercises is too narrow. Bodybuilders should stay away from sprints, plyos, and one-rep maxes, as the risk-to-reward ratio just isn't great enough.
A better strategy is to just integrate some of the exercises listed below into your routine for higher reps. If you're a 300-pound bodybuilder, performing 20 controlled reps with a slight pause up top on the hip thrust with just body weight will really tax the glutes. Since the glutes are on average a 68% slow-twitch muscle, they may respond very well to higher reps.
However, there's also much evidence that shows that since the gluteus maximus is often the largest muscle in the body, it remains dormant during low-intensity activities in an attempt to spare energy for more intense purposes. In this way they are like "sleeping giants" – they only want to be bothered when absolutely necessary.
If you're a bodybuilder and you need bigger glutes, then you must perform the exercises below. Squats, deadlifts, and lunges aren't doing it for you. Perform a couple of heavy exercises in the 8-12 rep range, followed by seven sets of a lighter isolation exercise for 8-12 reps with shorter rest-times.
I'd suggest performing four sets of heavy hip thrusts followed by seven sets of either an abduction movement like a band abduction or a more targeted movement like a single-leg glute bridge or even a quadruped hip extension with a five-second isometric hold up top.
Many gyms have good glute machines too. These machines can activate the glutes to a much higher degree than typical standing free-weight exercises. Just pin extra weight to the stack if need-be.

Figure Models

TC Luoma has alluded to the importance of the "A-shape" for sexy female glutes. While the shape of the glutes are largely genetic, women still need to attempt to preserve the sexy A-shape as much as possible and watch their upper glute to lower glute ratio.
The girls in the "good" category have a sexy A-shape and can perform all types of glute exercises. The girls in the "bad" category have well-developed glutes, but are losing their A-shape due to overdeveloped upper glutes. Their upper glutes are getting too big.
These girls should avoid hip hyperextension, abduction, and external rotation exercise and stick to solely hip extension exercises. Although hip extension exercises don't work the glutes like hip hyperextension exercises do, they focus on the lower glutes and limit upper glute involvement.

Athletes

The glutes can't get too strong in sports. The stronger they get, the more powerfully they contract in sprinting and the better they protect against low back, knee, hamstring, and groin injuries. Charlie Francis talked about how there were only a few athletes in the world who could maintain "sprint form" in the 100-meter sprint and how sprinters knew they had a bad day if they felt their sprints in their quads.
Over twenty years ago, he was prescribing reverse leg presses as his main glute and hamstring exercise in order to prepare his athletes for the big race. The reverse leg press was like a donkey kick performed while standing backwards facing away from a leg press on a Universal gym.
Talk about being years ahead of your time! The reverse leg press is a great exercise, but the hip thrust and pendulum quadruped hip extension are even better.

FAQ

Q: Your research sounds pretty crazy. Is there any existing research to substantiate your claims?
A: Yes, there are, including a study performed by the American Council on Exercise (ACE) in 2006, which showed that a body weight quadruped hip extension activated more gluteus maximus muscle than a one-rep max squat.
There's also a study performed by Kearns, et al. which showed that back extensions activated more gluteus maximus muscle than straight-leg deadlifts, and a study performed by researchers at the Madonna Rehabilitation Hospital that showed that jogging on a treadmill activated over twice as much gluteus maximus muscle as the Stairmaster. Even walking beat out the Stairmaster.
In Advanced Techniques in Glutei Maximi Strengthening, I explain these studies by exploring and analyzing muscle fiber orientation, load vectors, length-tension relationships, and angular kinematics. In the three studies described above, quadruped hip extensions, back extensions, and treadmill running (all anteroposterior actions) beat out squats, deadlifts, and the Stairmaster (all axial actions).
Q: You've been having your clients hip thrust for over two years? It looks pretty dangerous. Is it safe? Have any of your clients injured themselves?
A: Yes, the hip thrust is perfectly safe. In the past three years, I've had around ten male clients regularly hip thrust over 365 pounds for ten reps and around ten female clients hip thrust 135 pounds for ten reps. I've been hip thrusting 405 to 455 pounds for two year now, and my back has never felt healthier.
In almost three years of prescribing hip thrusts, not a single individual has ever hurt themselves from performing the exercise. Not only do they not lead to lower back injury, they even prevent lower back injury because they maximally strengthen the glutes; the best back-sparing muscle there is.
Why would any movement that focused on targeting the glutes – the strongest muscle in the body – through direct hip extension while keeping the spine in neutral be unsafe?
Q: Ronnie Coleman had the best glutes of all time, and he never did hip thrusts. Neither did Andy Bolton, and he deadlifted more than any man in history. Usain Bolt is the world's fastest man, and he never did any hip thrusts. What gives?
A: Ronnie's glutes would have been even bigger from hip thrusts. Andy Bolton could get stronger at his deadlift lockout if he did hip thrusts. And Usain Bolt could get even faster if he performed hip thrusts. They are that good!
Q: Activation exercises were meant to just activate muscles with body weight resistance. I don't think you're supposed to load them up.
A: You can load any movement in exercise. I agree that you shouldn't try to load exercises like scapular wall slides, but glute bridges? Come on! We're talking about the glutes. The powerhouse of the human body!
Q: Those exercises look funny. I don't want to do them at my gym.
A: You don't like humping? What's wrong with you? Just kidding, they are indeed strange looking. I have to confess that when I first started doing these at Powerhouse Gym I got some strange looks. Now I have half the gym doing them. I have people come up to me every day and say, "You're the guy who taught my friend the hip thrust. He taught me them and I never do a leg workout without them!"
They're no more awkward than Romanian deadlifts or hip adductions, but we've gotten desensitized to them. In time, they won't look so awkward. If you're okay with settling for half your possible glute activation, then don't do them. But if you want maximum glute strength, sprinting speed, low back health, and sex-appeal, then you better start thrusting.
Q: Are you sure that lunges aren't the best glute exercise? Every time I do them I can barely sit down for a week.
A: Yes, I tested them many times on myself and on several other people too. They sure make the "glute-ham tie-in" sore, but they don't make the upper glutes sore, nor do they cause a burn or a pump in the glutes like the exercises listed above. Contrary to popular opinion, they only get glute activation to at most 30% of MVC, while others can get glute activation to over 120%.

Related:  4 Myths About Female Glute Training

Related:  30 Days to a Big Butt and a Great Squat

Related:  Inside the Muscles: Best Leg, Glute, and Calf Exercises

Что такое VO2max и как работает дыхательная система при беге

Ещё одна научная статья Евгения Суборова на нашем сайте — о концепции VO2max, дыхании в беге и том, как эту информацию может с пользой применить обычный бегун вроде нас с вами.
Бегуны всех уровней, от увлеченных любителей до профессионалов, ищут пути для повышения эффективности тренировок для улучшения результатов и новых рекордов.
Бег на длинные дистанции требует от спортсмена большого объема тренировок на выносливость для преодоления постоянного физиологического стресса. Различные способы манипуляции физиологическими параметрами для улучшения выносливости и эффективности бегунов ведутся вот уже более 30 лет, хотя остается достаточное количество вопросов (1). Большинство методик, известных сегодня, появились в результате многочисленных проб и ошибок, а чёткое научное обоснование получили лишь некоторые из них (2, 3, 4).
Длительное время показатель максимального потребления кислорода (VO2max) используется в качестве некоей «магической пули», позволяя выстраивать тренировки на основании его значения и проводить анализ производительности и прогресса атлета. Но так ли он хорош, всем ли подходит и можно ли на него полагаться?
Считается, что для каждого увлеченного бегом человека, показатель VO2max (или VDOT у Дэниелса) фактически определяет его талант или потенциал. Величина VO2max определяет максимальное потребление кислорода, и это один из наиболее часто используемых показателей для отслеживания прогресса в тренировках. Конечно, все мы слышали про невероятные цифры VO2max у многих профессиональных спортсменов: Lance Armstrong (84 мл/кг/мин), Steve Prefontaine (84,4 мл/кг/мин), Bjørn Dæhlie (96 мл/кг/мин) и многих других.
Но нужно ли уделять такое пристальное внимание этим цифрам? Если говорить вкратце, то нет.
В противоположность бытующему мнению, VO2max — это просто измерение, оно не характеризует тренированность или потенциал атлета. Фактически, среди нескольких тренированных бегунов невозможно определить быстрейшего, основываясь только на показателе VO2max.
Измерение VO2max не очень точно отражает важнейшие процессы транспорта и утилизации кислорода в мышцах. Попробуем для начала внимательно рассмотреть этот показатель, его составляющие, а также влияние, которые различные этапы транспорта кислорода оказывают на VO2max.

Концепция VO2max

Термин «максимальное потребление кислорода» впервые был описан и использован Hill (5) и Herbst (6) в 1920-х годах (7). Основные положения теории VO2max гласили:
  • Существует верхняя граница потребления кислорода,
  • Существует естественная разница в значениях VO2max,
  • Высокий VO2max необходим для успешного участия в забегах на средние и длинные дистанции,
  • VO2max ограничен способностью сердечно-сосудистой системы переносить кислород к мышцам.
Показатель VO2max характеризует максимальное количество используемого кислорода, и рассчитывается путем вычитания количества выдохнутого кислорода из количества поглощенного кислорода (8). Поскольку VO2max используется для количественного описания ёмкости аэробной системы, показатель находится под влиянием большого количества факторов на длинном пути кислорода от окружающей среды до митохондрий в мышцах.
Формула для расчета VO2max:
VO2max= Q х (CaO2-CvO2),
где Q – сердечный выброс, CaO2 – содержание кислорода в артериальной крови, CvO2 — содержание кислорода в венозной крови.
Это уравнение принимает в расчет объем крови, перекачиваемый нашим сердцем (сердечный выброс = ударный объем х частота сердечных сокращений), а также разницу между уровнем кислорода в крови, притекающей в мышцы (CaO2 — содержание кислорода в артериальной крови) и уровнем кислорода в крови, оттекающей от мышц к сердцу и лёгким (CvO2 — содержание кислорода в венозной крови).
По сути, разница (CaO2—CvO2) представляет собой количество кислорода, поглощенного мышцами. Хотя для практических целей измерение VO2max имеет небольшое значение, развитие способности более эффективно потреблять и утилизировать кислород влияет на производительность бегуна. Поглощение и утилизация кислорода, в свою очередь, зависят от целого ряда факторов, которые встречаются на длинном пути кислорода.
Движение кислорода от атмосферного воздуха до митохондрий называется кислородным каскадом. Вот его основные этапы:
  • Потребление кислорода
— Поступление воздуха в лёгкие
— Движение по трахеобронхиальному дереву до альвеол и капилляров, где кислород поступает в кровь
  • Транспорт кислорода
— Сердечный выброс – кровь поступает к органам и тканям
— Концентрация гемоглобина
— Объем крови
— Капилляры, из которых кислород поступает в мышцы
  • Утилизация кислорода
— Транспорт в митохондрии
— Использование в аэробном окислении и цепи переноса электронов

Потребление кислорода

Первый этап путешествия кислорода состоит в его поступлении в лёгкие и в кровоток. За эту часть, в основном, отвечает наша дыхательная система (рис. 1).
Воздух попадает из ротовой и носовой полости в лёгкие благодаря разнице давлений между лёгкими и внешней средой (во внешней среде давление кислорода больше, чем в лёгких, и кислород «засасывается» внутрь наших лёгких). В лёгких воздух движется по бронхам к более мелким структурам, называемым бронхиолы.
На конце бронхиол есть специальные образования — дыхательные мешочки, или альвеолы. Альвеолы – это место переноса (диффузии) кислорода из лёгких в кровь, а точнее в капилляры, оплетающие альвеолы (Представьте себе шарик, опутанный паутиной – это и будут альвеолы с капиллярами). Капилляры — самые мелкие кровеносные сосуды в организме, их диаметр равен всего 3-4 микрометра, это меньше диаметра эритроцита. Получая кислород из альвеол, капилляры затем несут его в более крупные сосуды, которые в конечном итоге впадают в сердце. Из сердца по артериям кислород разносится во все ткани и органы нашего тела, в том числе и мышцы.
Количество поступающего в капилляры кислорода зависит как от наличия разницы давлений между альвеолами и капиллярами (содержание кислорода в альвеолах больше, чем в капиллярах), так и от общего количества капилляров. Количество капилляров играет определенную роль, особенно у хорошо тренированных атлетов, поскольку позволяет большему объему крови протекать через альвеолы, способствуя поступлению большего количества кислорода в кровь.
Что такое VO2max и кислородный каскад 3
рис. 1. Строение лёгких и газообмен в альвеоле.
Использование или потребность в кислороде зависит от скорости бега. При повышении скорости, большее количество клеток в мышцах ног становится активно, мышцам необходимо больше энергии для поддержания проталкивающего движения, а значит, мышцы потребляют кислород с более высокой скоростью.
Фактически, потребление кислорода линейно связано со скоростью бега (выше скорость — больше кислорода потребляется, рис. 2).
Что такое VO2max и кислородный каскад 1
рис. 2. Зависимость VO2max и скорости бега. По горизонтальной оси – скорость (км/ч), по вертикальной оси – потребление кислорода (мл/кг/мин). HR – частота сердечных сокращений.
Средний бегун, развивающий скорость 15 км/ч, скорее всего, будет потреблять кислород со скоростью 50 мл на килограмм веса в минуту (мл/кг/мин). При 17,5 км/ч, скорость потребления вырастет почти до 60 мл/кг/мин. Если бегун способен развить скорость 20 км/ч, потребление кислорода будет еще выше – около 70 мл/кг/мин.
Тем не менее, показатель VO2max не может расти бесконечно. В своем исследовании Hill описывает ряд изменений VO2 у атлета бегущего по травяному треку с разной скоростью (9). После 2.5 минут бега на скорости 282 м/мин, его VO2 достиг значения 4.080 л/мин (или 3.730 л/мин выше измеренного значения в покое). Поскольку VO2 при скоростях 259, 267, 271 и 282 м/мин не возрастал выше значения полученного при скорости бега 243 м/мин, это подтвердило предположение, что при высоких скоростях VO2 достигает максимума (плато), превысить который невозможно, как бы ни увеличилась скорость бега (рис.3).
Что такое VO2max и кислородный каскад 2
рис.3. Достижение «равновесного состояния» (плато) для потребления кислорода при разных темпах бега с постоянной скоростью. Горизонтальная ось – время от начала каждого бега, вертикальная ось – потребление кислорода (л/мин) превышающее значение в покое. Скорости бега (снизу вверх) 181, 203, 203 и 267 м/мин. Три нижние кривые представляют истинное равновесное состояние, тогда как на верхней кривой потребность в кислороде превосходит измеряемое потребление.
Сегодня общепринят факт существования физиологической верхней границы возможностей организма потреблять кислород. Это наилучшим образом было проиллюстрировано на классическом графике Åstrand и Saltin (10), показанном на рисунке 4.
Что такое VO2max и кислородный каскад
рис.4 Повышение потребления кислорода во время тяжелой работы на велоэргометре с течением времени. Стрелки показывают время, при котором атлет остановился из-за усталости. Так же показана выходная мощность (W) для каждой из работ. Атлет может продолжать выполнение работы при выходной мощности 275 W более 8 минут.
Говоря про интенсивность работы, необходимо уточнить один факт. Даже при высокой интенсивности насыщение крови кислородом не падает ниже 95% (это на 1-3% ниже показателя здорового человека в состоянии покоя).
Этот факт используется как показатель того, потребление и транспорт кислорода из лёгких в кровь не являются ограничивающими факторами производительности, поскольку насыщение крови остается высоким. Однако у некоторых тренированных атлетов описан феномен, известный как «артериальная гипоксемия (гипоксемия – низкий уровень кислорода в крови, кислородное голодание), вызванная физической нагрузкой» (11). Это состояние характеризуется падением насыщения кислорода на 15% при выполнении упражнений, относительно уровня покоя. Падение кислорода на 1% при насыщении кислорода ниже 95% приводит к снижению VO2max на 1-2% (12).
Причина развития этого феномена следующая. Высокий сердечный выброс тренированного атлета приводит к ускорению кровотока через лёгкие, и кислород попросту не успевает насытить протекающие через лёгкие кровь. Для аналогии, представьте поезд, проходящий через небольшой городок в Индии, где люди часто запрыгивают в поезда на ходу. При скорости поезда 20 км/ч в поезд смогут запрыгнуть, скажем, 30 человек, тогда как при скорости поезда 60 км/ч, в него запрыгнут 2-3 человека в лучшем случае. Поезд — это сердечный выброс, скорость поезда — это кровоток через лёгкие, пассажиры – это кислород, старающийся попасть из лёгких в кровь. Таким образом, у некоторых тренированных атлетов, потребление и диффузия кислорода из альвеол в кровь все-таки может влиять на величину VO2max.
Помимо диффузии, сердечного выброса, количества капилляров, на VO2max и насыщение крови кислородом может влиять сам процесс дыхания, точнее мышцы, участвующие в процессе дыхания.
Так называемая «кислородная цена» дыхания оказывает значимое влияние на VO2max. У «обычных» людей при умеренно интенсивной физической активности на дыхание тратится примерно 3-5% от поглощенного кислорода, а при высокой интенсивности эти затраты вырастают до 10% от величины VO2max (13). Другими словами, на процесс дыхания (работу дыхательных мышц) затрачивается какая-то часть от поглощенного кислорода. У тренированных атлетов в ходе интенсивных нагрузок на дыхание тратится 15-16% от VO2max (14). Более высокая цена дыхания у хорошо тренированных атлетов подтверждает предположение о том, что потребность в кислороде и факторы, ограничивающие производительность у тренированных и нетренированных людей разные.
Другая возможная причина того, что процесс дыхания может ограничивать производительность атлета, это существующая «конкуренция» за кровоток между дыхательными мышцами (в основном диафрагмой) и скелетными мышцами (например, мышцы ног). Грубо говоря, диафрагма может «оттягивать» на себя часть крови, которая не попадает из-за этого в мышцы ног. Из-за такого соперничества, усталость диафрагмы может произойти при уровне интенсивности выше 80% от VO2max (15). Другими словами, при условно-средней интенсивности бега, диафрагма может «устать» и работать менее эффективно, что приводит к обеднению организма кислородом (поскольку диафрагма отвечает за вдох, при усталости диафрагмы его эффективность снижается, и лёгкие начинаю работать хуже).
В проведенном обзоре Sheel и соавторы показали, что после включения в тренировочный цикл специальных дыхательных упражнений, атлеты показали улучшение производительности (16). Эту гипотезу подтвердило исследование, проведенное на велосипедистах, когда во время 20 и 40-километровых отрезков у спортсменов развивалась глобальная усталость мышц вдоха (17). После тренировки дыхательных мышц у атлетов было обнаружено улучшение производительности на 20 и 40-километровых отрезков на 3,8% и 4,6%, соответственно, а также уменьшение усталости дыхательных мышц после отрезков.
Таким образом, дыхательные мышцы влияют на VO2max, причём степень этого влияния зависит от уровня тренированности. Для атлетов более высокого уровня важными ограничивающими факторами будут утомление дыхательных мышц и гипоксемия (недостаток кислорода), вызванная физической активностью.
Что такое VO2max и кислородный каскад 5
В связи с этим хорошо тренированные спортсмены должны использовать дыхательную тренировку, тогда как бегуны начального уровня, скорее всего, не получат от нее такого же эффекта.
Самым простым способом тренировки дыхательных мышц, применяющимся и в клиниках, является выдох через неплотно сжатые губы. Необходимо почувствовать, что выдыхаешь всей диафрагмой, начать с медленных и глубоких вдоха и выдоха, постепенно наращивая скорость выдоха.

Транспорт кислорода

Со времен первых экспериментов A.V. Hill по измерению VO2max, транспорт кислорода всегда считался главным ограничивающим фактором для показателя VO2max (18).
Было подсчитано, что транспорт кислорода (это весь путь от поступления кислорода в кровь до его поглощения мышцами) влияет на VO2max примерно на 70-75% (19). Одним из важных компонентов транспорта кислорода является его доставка к органам и тканям, которая также подвержена влиянию большого количества факторов.
Адаптация сердечно-сосудистой системы
Сердечный выброс (СВ) — это количество крови, выбрасываемой сердцем в минуту, также считается важным фактором, ограничивающим VO2max.
Сердечный выброс зависим от двух факторов — частоты сердечных сокращений (ЧСС) и ударного объема (УО). Следовательно, для увеличения максимального СВ, один из этих факторов должен быть изменен. Максимальная ЧСС не меняется под влиянием тренировок на выносливость, тогда как УО у спортсменов повышается как в состоянии покоя, так и при выполнении работы любой интенсивности. Повышение УО происходит за счет увеличения размеров и сокращаемости сердца (20).
Эти изменения в сердце вызывают улучшение способности быстро заполнять камеры сердца. Согласно закону Франка-Старлинга, при увеличении растяжения камеры сердца перед сокращением, само сокращение будет более сильным. Для аналогии можно представить себе полоску резины, которую растягивают. Сильнее растяжение — быстрее сокращение. Это означает, что заполнения камер сердца у атлетов вызовет более быстрое сокращение сердца, а значит, приведет к увеличению ударного объема. В дополнение к этому, у бегунов на длинные дистанции появляется способность быстро заполнять камеры сердца при высокой интенсивности нагрузки. Это достаточно важное физиологическое изменение, поскольку в норме при увеличении частоты сердечных сокращений остается меньше времени на заполнение камер сердца.
Гемоглобин
Другим важным фактором в транспорте кислорода является способность крови переносить кислород. Эта способность зависит от массы красных кровяных телец, эритроцитов, а также концентрации гемоглобина, который служит основным переносчиком кислорода в организме.
Повышение гемоглобина должно улучшить производительность благодаря повышению транспорта кислорода к мышцам. Исследования четко показывают эту взаимосвязь, изучая, как снижение уровня гемоглобина повлияет на производительность (21). Например, снижение уровня гемоглобина при анемии приводит к снижению VO2max (22).
Что такое VO2max и кислородный каскад 6
Так, в одном из исследований после снижения уровня гемоглобина наблюдалось снижение VO2max, гематокрита и выносливости. Однако после двух недель было отмечено восстановление начального значения VO2max, а гемоглобин и выносливость оставались сниженными (23).
Факт сохранения нормальных значений VO2max может при низком уровне гемоглобина поднимает ряд вопросов и демонстрирует обширные адаптационные возможности организма, напоминая о том, что существует огромное количество способов оптимизировать доставку кислорода для повышения VO2max. Кроме того, возвращение VO2max, но не выносливости, к нормальным показателям, может говорить о том, что VO2max и выносливость не являются синонимами.
На другом конце спектра — исследования, где искусственно повышался уровень гемоглобина. Эти работы показали повышение как VO2max, так и производительности (24). Одиннадцать элитных бегунов, включенных в одно из исследований, продемонстрировали значительное удлинение времени до момента наступления истощения и VO2max после переливания крови и повышения уровня гемоглобина со 157 г/л до 167 г/л (25). В исследовании с кровяным допингом, который приводит к искусственному повышению гемоглобина, отмечалось улучшение VO2max на 4%—9% (Gledhill 1982).
Собранные вместе, все вышеперечисленные факты свидетельствуют о том, что уровень гемоглобина оказывает значительное влияние на VO2max.
Объем крови
С повышением гемоглобина кровь становится более вязкой, поскольку большая её часть содержит эритроциты, а не плазму. При повышении количества эритроцитов увеличивается вязкость и растет такой показатель, как гематокрит. Для аналоги, представьте себе, как текут по трубам одно и того же диаметра вода (это аналог крови с нормальным гемоглобином и гематокритом) и кисель (гемоглобин и гематокрит повышен).
Гематокрит определяет отношение между эритроцитами и плазмой. При высокой вязкости крови кровоток замедляется, затрудняя, а иногда и полностью прекращая доставку кислорода и нутриентов к органам и тканям. Причина — кровь с высокой вязкостью очень «лениво» течет, а в самые маленькие сосуды, капилляры, может и не попасть, попросту закупоривая их. Следовательно, чересчур высокий гематокрит может потенциально снизить производительность через нарушение доставки кислорода и нутриентов к тканям.
При тренировках на выносливость нормальной ситуацией является повышение как объема крови, так и гематокрита с гемоглобином, причем увеличение объема крови может доходить до 10% (26). В медицине достаточно много раз менялась концепция так называемого оптимального гематокрита, и до сих пор не утихают споры, какой же уровень этого показателя считать оптимальным.
Очевидно, что однозначного ответа на этот вопрос не существует, и для каждого атлета уровень гематокрита, при котором есть максимальная выносливость и работоспособность можно считать оптимальным. Однако необходимо помнить, что высокий гематокрит — это не всегда хорошо.
Что такое VO2max и кислородный каскад 4
Атлеты, использующие запрещенные препараты (например, эритропоэтин (ЭПО) для искусственного повышения уровня эритроцитов) будут отличаться очень хорошей выносливостью и работоспособностью. Обратной стороной медали при этом может являться опасно высокий уровень гематокрита, а также повышение вязкости крови (27).
С другой стороны, есть атлеты с хорошей выносливостью, которые бегают с низким уровнем гематокрита и гемоглобина, что в обычной жизни может быть признаком анемии. Вполне возможно, что подобные изменения являются ответом на высотную адаптацию спортсменов.
Адаптация к высокогорью может быть трех разных видов (28):
  • Эфиопия — поддержание баланса между насыщением крови и гемоглобином
  • Анды — повышение уровня эритроцитов со снижением насыщения крови кислородом
  • Тибет — нормальная концентрация гемоглобина со снижением насыщения крови кислородом
Несколько вариантов адаптации говорят о том, что существует несколько способов оптимизировать показатели крови. Ответа и на вопрос, у кого же из вариантов (низкий или высокий гематокрит) в спорте лучше доставка кислорода, до сих пор нет. Скорее всего, как бы ни банально это прозвучало, ситуация с каждым атлетов индивидуальная.
Другим важнейшим параметром, играющим роль во время бега, является так называемое шунтирование крови.
Этот механизм полезен, когда мышцам необходимо больше крови и кислорода с нутриентами. Если в покое скелетная мускулатура получает только 15-20% от общего объема крови, то при интенсивной физической нагрузке примерно 80-85% от общего объема крови идут к мышцам. Процесс регулируется расслаблением и сокращением артерий. Кроме того, при тренировках на выносливость повышается плотность капилляров, по которым все необходимые вещества поступают в кровь. Доказано также, что плотность капилляров напрямую связана с VO2max (29).
Утилизация кислорода
Как только кислород поступил к мышцам, он должен быть утилизирован. За утилизацию кислорода отвечают «энергетические станции» наших клеток — митохондрии, в которых кислород используется для производства энергии. О том, как много кислорода поглотили мышцы, можно судить по «артериовенозной разнице», то есть разнице между содержанием кислорода в притекающей (артериальной) к мышце крови и содержанием кислорода в оттекающей (венозной) от мышцы крови.
Другими словами, если притекает 100 единиц кислорода, а оттекает 40, тогда артериовенозная разница составит 60 единиц — именно столько усвоилось мышцами.
Что такое VO2max и кислородный каскад 7
Артериовенозная разница не является фактором, ограничивающим величину VO2max по ряду причин. Во-первых, эта разница достаточно схожа как у элитных бегунов, так и у непрофессионалов (30). Во-вторых, если посмотреть на артериовенозную разницу, то видно, что кислорода в вене остается очень немного. Содержание кислорода в крови, притекающей к мышцам примерно равняется 200 мл кислорода на 1 литр крови, а в оттекающей венозной крови кислорода содержится всего около 20-30 мл на литр крови (29).
Интересно, что показатель артериовенозной разницы может улучшаться в ходе тренировок, что означает большее поглощение кислорода мышцами. В нескольких исследованиях было показано увеличение показателя артериовенозной разницы примерно на 11% под влиянием систематических тренировок на выносливость (31).
Учитывая все эти факты, можно сказать, что хотя артериовенозная разница не является ограничивающим VO2max фактором, но во время тренировок на выносливость происходят важные и полезные изменения данного показателя, свидетельствующие о большем поглощении кислорода мышцами.
Кислород заканчивает свой длинный путь в митохондриях клетки. Митохондрии скелетной мускулатуры — это место выработки аэробной энергии. В самих митохондриях кислород участвует в цепи переноса электронов, или дыхательной цепи. Таким образом, количество митохондрий играет важную роль в генерации энергии. В теории, чем больше митохондрий, тем больше кислорода может утилизироваться в мышцах. Исследования показали, что количество митохондриальных ферментов увеличивается при тренировках, однако рост VO2max при этом небольшой. Роль митохондриальных ферментов заключается в усилении реакции в митохондриях, для значительного увеличения продукции энергии.
В одном исследовании, изучавшем изменения во время и после прекращения тренировок, мощность митохондрий увеличивалась на 30% в ходе тренировок, тогда как VO2max повышался всего на 19%. Однако, после прекращения тренировок показатель VO2max сохранялся дольше, чем мощность митохондрий (32).

Выводы:

  1. Показатель VO2max характеризует максимальное количество используемого кислорода.
  2. VO2max используется для количественного описания ёмкости аэробной системы.
  3. Для практических целей измерение VO2max имеет небольшое значение, однако развитие способности более эффективно потреблять и утилизировать кислород влияет на производительность бегуна.
  4. При повышении скорости бега мышцы потребляют кислород с более высокой скоростью.
  5. Для показателя VO2max есть конечная точка роста, после чего он выходит на плато, или равновесное состояние
  6. Сам процесс дыхания значимо влияет на VO2max.
  7. Дыхательные мышцы влияют на VO2max, причем это степень этого влияния зависит от уровня тренированности.
  8. Максимальная частота сердечных сокращений не меняется под влиянием тренировок на выносливость, тогда как ударный объем у спортсменов повышается как в состоянии покоя, так и при выполнении работы любой интенсивности.
  9. Уровень гемоглобина оказывает значимое влияние на VO2max.
  10. Чересчур высокий гематокрит может потенциально снизить производительность через нарушение доставки кислорода и нутриентов к тканям.
Список литературы:
  1. Pollock ML. The quantification of endurance training programs. Exerc Sport Sci Rev. 1973; 1: 155-88
  2. Hawley JA. State of the art training guidelines for endurance performance. S Afr J Sports Med 1995; 2: 70-12
  3. Hawley JA, Myburgh KH, Noakes TD, et al. Training tech niques to improve fatigue resistance and endurance perform ance. J Sports Sci 1997; 15: 325-33
  4. Tabata I, Irisawa K, Kouzaki M, et al. Metabolic profile of high intensity intermittent exercises. Med Sci Sports Exerc 1997; 29: 390-5
  5. A.V. Hill and H. Lupton. Muscular exercise, lactic acid, and the supply and utilization of oxygen. Q. J. Med. 16:135–171, 1923
  6. R. Herbst. Der Gasstoffwechsel als Mass der korperlichen Leistungsfahigkeit. I. Mitteilung: die Bestimmung des Sauerstoffaufnahmevermogens bein Gesunden. Deut. Arch. Klin. Med. 162: 33–50, 1928
  7. B. Saltin and S. Strange. Maximal oxygen uptake: “old” and “new” arguments for a cardiovascular limitation. Med. Sci. Sports Exerc. 24:30–37, 1992
  8. D.R. Bassett Jr, E.T. Howley. Limiting factors for maximum oxygen uptake and determinants of endurance performance. Med Sci Sports Exerc. 2000 Jan; 32(1):70-84.
  9. A.V. Hill, C.N.H. Long, and H. Lupton. Muscular exercise, lactic acid and the supply and utilisation of oxygen: Parts VII-VIII. Proc. Roy. Soc. B 97:155–176, 1924.
  10. P.O. Åstrand, and B. Saltin. Oxygen uptake during the first minutes of heavy muscular exercise. J. Appl. Physiol. 16:971–976, 1961.
  11. S.K. Powers, J. Lawler, J.A. Dempsey, S. Dodd, G. Landry. Effects of incomplete pulmonary gas exchange on VO2 max. J Appl Physiol. 1989 Jun; 66(6):2491-5.
  12. J.A. Dempsey, P.D. Wagner. Exercise-induced arterial hypoxemia. J Appl Physiol. 1999 Dec; 87(6): 1997-2006
  13. E.A. Aaron, K.C. Seow, B.D. Johnson, J.A. Dempsey. Oxygen cost of exercise hyperpnea: implications for performance. J Appl Physiol 1992; 72: 1818–1825.
  14. C.S. Harms, T.J. Wetter, S.R. McClaran, D.F. Pegelow, G.A. Nickele, W.B. Nelson, P. Hanson, J.A. Dempsey. Effects of respiratory muscle work on cardiac output and its distribution during maximal exercise. J Appl Physiol. 1998; 85: 609–618.
  15. B.D. Johnson, M.A. Babcock, O.E. Suman, J.A. Dempsey. Exerciseinduced diaphragmatic fatigue in healthy humans. J.Physiol 1993; 460; 385-405.
  16. A.W. Sheel. Respiratory muscle training in healthy individuals: physiological rationale and implication for exercise performance. Sports Med 2002; 32(9): 567-81
  17. L. M. Romer, A. K. McConnell, D. A. Jones. Effects of inspiratory muscle training on time-trial performance in trained cyclists. Journal of Sports Sciences, 2002; 20: 547-562
  18. D.R. Bassett Jr, E.T. Howley. Limiting factors for maximum oxygen uptake and determinants of endurance performance. Med Sci Sports Exerc. 2000 Jan; 32(1):70-84.
  19. P. E. di Prampero. Factors limiting maximal performance in humans. Eur J Appl Physiol. 2003; Oct; 90(3-4): 420-9.
  20. G. C. Henderson, M. A. Horning, S. L. Lehman, E. E. Wolfel, B. C. Bergman, G. A. Brooks. Pyruvate shuttling during rest and exercise before and after endurance training in men. Journal of Applied Physiology Jul 2004; 97(1): 317-325
  21. J.A. Calbet, C. Lundby, M. Koskolou, R. Boushel. Importance of hemoglobin concentration to exercise: acute manipulations. Respir. Physiol. Neurobiol. 2006; 151: 132–140
  22. J.J. Lamanca, E.M. Haymes. Effects of iron repletion on VO2mx, endurance, and blood lactate in women. Med. Sci. Sports Exerc. 1993; Vol. 25, No. 12: 1386-1392
  23. B. Ekblom, A.N. Goldbarg, B. Gullbring. Response to exercise after blood loss and reinfusion. Journal of Applied Physiology. 1972; 33: 175–180
  24. J.A. Calbet, C. Lundby, M. Koskolou, R. Boushel. Importance of hemoglobin concentration to exercise: acute manipulations. Respir. Physiol. Neurobiol. 2006; 151: 132–140
  25. F.J. Buick et al. Effect of induced erythocuthemia on aerobic work capacity. Journal of Applied Physiology 1980; 48: 636-642
  26. D. Costill, S. Trappe. Running: The athlete within. 2002; Traverse City, MI: Cooper Publishing Group.
  27. J.A. Calbet, C. Lundby, M. Koskolou, R. Boushel. Importance of hemoglobin concentration to exercise: acute manipulations. Respir Physiol Nerubiol. 2006; 151(2-3), 132–140.
  28. C.M. Beall,M.J. Decker, G.M. Brittenham, I. Kushner, A. Gebremedhin, K.P. Strohl. An Ethiopian pattern of human adaptation to high-altitude hypoxia. Proc Natl Acad Sci; 2002, 99(26), 17215–17218.
  29. D.R. Bassett, E.T. Howley. Limiting factors for maximum oxygen uptake and determinants of endurance performance. Medicine and Science in Sports and Exercise. 2000; 32, 70–84
  30. J.M. Hagberg, W.K. Allen, D.R. Seals, B.H. Hurley, A.A. Eshani, and J.O. Holloszy. A hemodynamic comparison of young and older endurance athletes during exercise. J. Appl. Physiol. 1985; 58:2041-2046.
  31. J.H. Wilmore, P.R. Stanforth, J. Gagnon, T. Rice, S. Mandel, A.S. Leon, D.C. Rao, S. Skinner, C. Bouchard. Cardiac output and stroke volume changes with endurance training: The heritage family study. Med Sci Sports Exerc. 2001; 22(1): 99-106.
  32. J. Henriksson, J.S. Reitman. Time course of changes in human skeletal muscle succinate dehydrogenase and cytochrome oxidase activities and maximal oxygen uptake with physical activity and inactivity. Acta Physiol. Scand. 1977; 99, 91–97
Автор: Евгений Суборов, доцент кафедры анестезиологии и реаниматологии СЗГМУ им. Мечникова.