人体在运动过程中由于大量消耗能量，不但需要补充更多的氧，同时还要排除氧化时所产生的二氧化碳，如不能及时排除二氧化碳则将导致酸中毒，最终影响运动的进行。随着人体活动状态不同，为了尽快排除体内产生的二氧化碳和摄取氧，肺的通气机能将发生相应的变化。安静时成年人的每分钟通气量为6～8升，但剧烈运动时，随着呼吸频率的增加每分钟通气量可增至80～150升或更多。通气量的增大要通过呼吸运动的调节来完成。呼吸中枢进行呼吸调节要接收来自不同感受器的反馈冲动，包括肺的牵张反射、呼吸肌的本体感受性反射以及化学感受性反射等。
需氧量是指人体单位时间内为维持某种生理活动所需的氧量，通常以每分钟为单位计算。成年人安静时为了维持各组织器官的基本生理活动的需氧量为250毫升／分，运动时则随运动强度而异，并受运动持续时间影响，进行运动强度越大、持续时间越短的运动，需氧量就越大。如100米赛跑时的需氧量可达40升／分，而中等强度的马拉松跑时的需氧量约为2～3.5升／分，但其全程的总需氧量达700升以上。
在单位时间内，机体摄取并被实际消耗或利用的氧气称为摄氧量，有时也称为吸氧量或耗氧量，通常以每分钟为单位计算。运动过程中，随着运动强度的增加，每分需氧量也相应增大，但摄氧量能否满足需氧量取决于运动项目的特点。在持续时间短且强度大的运动中，即使氧的运输系统功能已经达到最高水平，摄氧量仍然不能满足需氧量而出现氧亏；在低强度运动的开始阶段，由于内脏器官的生理惰性，也会出现氧亏。
最大摄氧量（maximal oxygen consumption，VO2max）是指人体在进行有大量肌肉群参加的长时间剧烈运动中，当氧运输系统中的心泵功能和肌肉的用氧能力达到本人的极限水平时，人体每单位时间（通常以分钟为单位）所能摄取的氧量。所以最大摄氧量是评定人体有氧工作能力的综合指标，它反映了机体吸入氧、运输氧和利用氧的能力。
最大摄氧量的表示方法有绝对值与相对值两种。绝对值是指机体在单位时间（1分钟）内所能吸取的最大氧量，通常以升／分（l／min）为单位；但由于个体的身高、体重等差别较大，因此，用绝对值进行个体间的比较是不适用的。
为此，运动生理学中常以相对值来表示，最常用的是按每千克体重计算的最大摄氧量，以毫升／千克／分（ml／kg／min）为单位。一般来说，我国男大学生的最大摄氧量在50～55毫升／千克／分之间，女大学生比男大学生低10%左右。
最大摄氧量受遗传因素的影响较大，并与年龄、性别和训练等因素有关。目前常用于测定最大摄氧量的方法有直接测定法和间接推算法两种。直接测定法数据可靠，重复性好，能准确客观地评定受试者的有氧能力，但不适宜对老年人、少年或体弱者的测试；间接推算法具有简易、经济、快速等特点，但用间接推算法时应考虑到误差因素的影响。
三 体育锻炼对呼吸系统的影响
经常锻炼对呼吸系统的机能是有益的，主要表现在呼吸肌力量和耐力增强、肺活量增大和呼吸深度加深三个方面。一是呼吸肌力量和耐力增强。呼吸肌主要有膈肌、肋间肌和腹壁肌肉，此外肩部、背部和胸部的肌肉也可起到辅助作用，称为辅助呼吸肌。经常锻炼可使上述肌肉发达，使胸廓扩大，呼吸动作的幅度加大，呼吸差明显增加。呼吸肌耐力增强，表现在对长时间的工作耐受能力增强，并且呼吸肌不易疲劳。二是肺活量增大。经常锻炼的人，肺活量比同龄不锻炼者大20%左右。这是因为剧烈运动时，呼吸深度和呼吸频率都相应增加，使呼吸肌加强活动，加大了胸廓的扩张能力，使肺泡的扩张能力增强，肺活量就逐渐增大。三是呼吸深度加深。体育锻炼加强了呼吸肌力量，可使呼吸深度增加，有效地增加肺的通气效率。一般正常人安静的呼吸频率为12～18次／分，而经常参加运动的人可减少到8～12次／分。在运动时如果过快地增加呼吸频率，会使气体往返于呼吸道，部分气体留在生理无效腔内使真正进入肺内的气体量反而减少。适当地增加呼吸频率，深而慢的呼吸对肺泡气的更新要比浅而快的呼吸多。研究表明，一般人在运动时肺通气量能增加到60升／分左右，有体育锻炼习惯的人运动时肺通气量可达100升／分以上。
体育锻炼不仅可以提高肺的通气能力，更重要的是可以提高机体利用氧的能力。一般人在进行体育活动时只能利用其最大摄氧量的60%左右，而经过体育锻炼后可以使这种能力大大提高。体育活动时，即使氧气的需要量增加，也能满足机体的需要，而不致机体过分缺氧。
第六节 物质代谢与运动能力
运动能力是身体各种机能活动的集中表现，物质和能量代谢是各器官机能活动的基础。人体运动时的能量代谢包括有氧代谢和无氧代谢，所有运动的能量供应过程都由有氧代谢和无氧代谢过程以不同的比例组成。因此，运动能力又可分为有氧工作能力和无氧工作能力。
一 有氧工作能力
有氧能力（aerobic capacity），是指运动时肌肉组织所能利用氧的最大限度。由于以有氧氧化代谢的方式产生能量是最经济、有效和无任何副作用的，所以，人的有氧能力大小与运动时耐力的大小关系十分密切。一个优秀长跑运动员能比没有经过训练的同年龄、同性别的人跑的速度快一倍左右，其主要原因就在于他的有氧能力要大得多。
在运动时肌肉组织要获取氧，必须依靠呼吸和循环系统把外界环境中的氧运输到肌肉组织中才能加以利用。但是，在氧的输送和利用过程中，多种生物化学因素将起决定性的作用。因此，单位时间内机体的最大摄氧水平及氧利用率是评价人体有氧能力的重要指标。
糖、脂肪和蛋白质可以作为运动时的能源物质。能源物质的氧化代谢受到多种生化因素的影响，其中最主要有四方面：一是肌细胞中线粒体数目多少和体积大小。经过长时期耐力训练后，肌细胞中线粒体数量增多，体积变大，与耐力水平提高相适应。二是肌细胞中各种氧化代谢酶活性的大小。这些氧化酶类主要分布在线粒体中，耐力训练引起肌细胞中线粒体数目和体积发生变化的同时，也出现了各种氧化酶活性不同程度的增加。三是输氧和储氧能力的大小。血液红细胞中的血红蛋白可以与氧结合，把氧从呼吸器官运输到组织细胞，每克血红蛋白可以结合1.34毫升的氧。正常成年男子血红蛋白为120～150克／升（g／l），女子比男子血红蛋白含量略低。肌细胞中含有肌红蛋白，它具有储存氧和输送氧的功能，通过一连串肌红蛋白分子穿梭状的运输，以提高氧从毛细血管到肌细胞中线粒体的运送速度。一个70千克重的人，全身骨骼肌中的肌红蛋白可以储存氧共约330毫升，经过长期耐力训练可以增加到500毫升左右。四是调节代谢的能力。运动时肌细胞内、外所储存的能源物质的动员和利用，如肌糖原（muscle glycogen）和肝糖原（liver glycogen）的分解，肌肉内和脂库中甘油三酯的水解都与神经、内分泌系统的调节有一定的关系。耐力训练可以提高人体内神经、内分泌系统的调节机能，增加运动时能量物质利用的可能性。
综合以上各点，可以认为，人的有氧能力大小与多种生物化学因素的关系十分密切，经过长期耐力训练，可以提高人的有氧能力。
二 无氧工作能力
无氧能力（anaerobic capacity），是指运动中人体通过无氧代谢途径提供能量进行运动的能力。人的无氧能力大小与心血管系统的机能关系较小，主要由骨骼肌局部的因素所决定，其中包括能源储存量的多少，催化这些能源在无氧条件下释放出能量的有关酶的活性的大小，缓冲能力大小和肌纤维的类型等。
人的无氧能力又可区分为更为快速、短时间发挥作用的高能磷酸原系统和起作用比高能磷酸原稍为慢些、发挥作用时间较长的乳酸系统两种。骨骼肌局部储存的能源中与无氧代谢关系密切的有三种：三磷酸腺苷、磷酸肌酸和肌糖原。血液中的葡萄糖所能起的作用很少。ATP的含量最少，每克新鲜肌内中只有6微克分子左右。短跑时每克肌肉每秒钟大约需要消耗3微克分子ATP，因此，肌肉中储存的ATP在理论上只能维持肌肉收缩2秒钟左右。但在实际上，在ATP完全排空之前，很快已由磷酸肌酸分解或肌糖原无氧酵解进行再合成补充，故运动时其含量的变化相对较小。另一个高能磷酸化合物磷酸肌酸在骨骼肌中的储存量也不多，每克新鲜肌肉中约含有17～20微克分子，可供短跑时几秒钟肌肉收缩所需。
从理论上说，全部高能磷酸原可供肌肉大强度收缩8～10秒钟的能量。运动训练后骨骼肌中三磷酸腺苷和磷酸肌酸的含量可略有增多。骨骼肌中肌糖原的储存量比高能磷酸原多，每克新鲜肌肉中含肌糖原的葡萄糖单位大约为80微摩尔。在糖酵解中，1微克分子无氧酵解可以产生3微摩尔ATP，糖酵解总共可以产生约240微摩尔ATP，足可维持短跑80秒钟的能量。但实际上，一个人不可能用最快的速度连续跑80秒。即使是世界上最优秀的短跑运动员，在跑到100～200米后，最大速度也必然降低。所以，相对地说骨骼肌中能源物质的储存量不是决定人体无氧能力的主要因素。在短跑的最初2～3秒钟，用磷酸肌酸再合成ATP是最重要的，但以后就被糖酵解逐渐超过，到5秒钟以后，几乎所有的ATP都由糖无氧酵解的方式释放的能量来进行再合成。
