最大酸素摂取量(VO2max)強度でのトレーニング意義と狙いを徹底解説

VO2maxトレーニング

※「ランニングを科学する」では、筆者の知識・経験のアップデートと共に都度改定を行っています。改訂履歴は記事の最後に記載しています。

こんな疑問を解消
  • 最大酸素摂取量(VO2max)とは何?どんな要因で決まるの?
  • 最大酸素摂取量が低くて競技力が上がらない
  • 最大酸素摂取量を効率よく高めるためのトレーニング方法が知りたい

 ランニングや水泳、自転車競技に取り組んでいて、最大酸素摂取量(VO2max)を高めたいと考えている競技者の方も多いのではないでしょうか。

 私は社会人から本格的にランニングを始めた市民ランナーです。月500km程を走り競技志向でランニングに取り組んでいます。

 私自身も、VO2maxを高めるためのトレーニング方法について考え、実践を継続しているランナーのうちの一人です。

 ここではVO2maxを決める生理学的要因を解説し、VO2maxを上げるトレーニング方法を徹底考察します。

 本記事を読めば、VO2maxがどのように決まり、どんな能力を高めればVO2maxを上げることができるかを理解することができます。

最大酸素摂取量を上げるトレーニング方法について
  • VO2maxとは1分間に体重1kgあたり取り込むことができる酸素の量(ml/kg/分)
  • VO2maxを上げるためには心拍出量・動静脈酸素較差を高めることが必要
  • VO2maxはレース記録からVDOT計算機を使って間接法で求める場合が多い
  • VO2maxにできるだけ近い強度で長くトレーニングを行うと効果的
  • 効率よくVO2maxを向上させるためには88%VO2max(90%HRmax)以上の強度が必要
目次

最大酸素摂取量(VO2max)とは?

 最大酸素摂取量(以下、VO2maxと表記)とは「1分間に体重1kgあたり取り込むことができる酸素の量(ml/kg/分)」を表します。

 VO2maxVDOT(ダニエルズ理論で用いられている単語。V Dot O2maxの略)等と表記されます。

 VO2maxは、下記の項目で決まります。

VO2maxを決める項目
  • 最大心拍出量(SV):心拍1回当たりの最大血液拍出量
  • 最大心拍数(HRmax)
  • 動静脈酸素較差(a-vDO2max)※
らんしゅー
※動静脈酸素較差
心臓から送り出される血液(=動脈)に含まれる酸素量と、各組織から心臓に戻ってくる血液(=静脈)に含まれる酸素量の差

 心拍出量・心拍数・動静脈酸素較差の総合的な能力値が「VO2max」として定量化されています。

 VO2maxを決める要因のうち最大心拍数は、心臓が弱っているよほどの初心者でない限りは、持久性トレーニングで上げることは難しいと言われています

 VO2maxを上げるためには、「心拍出量・動静脈酸素較差を高めることが必要」です。

VO2maxの遺伝的影響とトレーニングで得られる効果の個人差

 幼いころから走るのが速い人と遅い人がいるように、VO2maxは遺伝的な影響を受けます。過去の様々な研究から、VO2maxは遺伝的な影響を約50%受けると言われています。

 また、トレーニングによって得られる効果にも個人差があります。

 持久性トレーニングにより、VO2maxは平均して10~20%向上すると言われていますが、遺伝的に恵まれたランナーでは、最大で50%程度向上するともいわれています。

 図1に、VO2maxの遺伝的な影響とトレーニングによって得られる効果の違いを示しました。

最大酸素摂取量向上
 個人差
図1 VO2maxの遺伝的な影響とトレーニングによって得られる効果の違い 概念図
引用:パワーズ運動生理学

 図1における⑤の人は、VO2maxの初期値が低くトレーニングによって得られる効果も少ないことが分かります。一方①の人は、VO2maxの初期値が高く、トレーニングをすればVO2maxをかなり上げることができます。

VO2maxを決める生理学的要因

 VO2maxを決める生理学的要因について説明していきます。

VO2maxを決める項目の詳細

 VO2maxを決める項目をさらに分解して考えてみます。図2にVO2maxを決める生理学的要因を示します。

図2 VO2maxを決める生理学的要因
参考:パワーズ運動生理学

 図2で示したように、VO2maxは様々な要因で決まります。ひとつずつ説明していきます。

トレーニングによる心拍出量と動静脈酸素較差の経時的変化

 例として、運動習慣のない成人男性が持久性トレーニングを行った際の、最大心拍出量及び動静脈酸素較差の変化を図3に示します。

図3 運動習慣のない成人男性が持久性トレーニングを行った際の、最大心拍出量及び動静脈酸素較差の変化
Endurance Training and VO2 Max Role of Maximal Cardic Output and Oxygen Extraction, David Montero 1, Candela Diaz-Cañestro, Carsten Lundby

 図3からわかることは、持久性トレーニングを開始してからすぐに向上するのは心拍出量であり、継続的なトレーニングによって動静脈酸素較差が上がる、ということです。

 長期間のトレーニングを積み上げていく過程では、心拍出量は比較的早期に頭打ちになり、動静脈酸素較差が継続的に向上していくことがわかります。

 以下では、心拍出量・動静脈酸素較差を決める要因について解説します。

心拍出量を決める要因:「前負荷」「後負荷」

 心拍出量を決める要因である「前負荷」と「後負荷」の要点をまとめると次の通りです。

「前負荷」について

トレーニングにより静脈還流量が増加し拡張末期容積「EDV」が増える。
言い換えると、「心臓に多くの血液が戻ることで心臓が大きく膨らむ」ということ。大きく膨らめば膨らむほど、心筋繊維が伸ばされ収縮力が大きくなり、1回当たりの拍出量が増える。

 静脈還流量が増加するのは、静脈収縮・筋ポンプ・呼吸ポンプ作用がそれぞれ考えられますが、詳細各論は割愛します。

「後負荷」について

心臓が収縮して大動脈に血液を押し出そうとする際にかかる抵抗を示す。身体細部の毛細血管が発達することや、交感神経活動が活発化し血管が収縮しなくなることで「後負荷」が下がり、心拍出量が増加する。

 持久性トレーニングの継続によって筋繊維における毛細血管が発達し、後負荷が下がることは想像しやすいです。

動静脈酸素較差:筋血流量・毛細血管密度・ミトコンドリア容量と機能

 動静脈酸素交差とは、「動脈(心臓から筋繊維へ向かう)を流れる血液中の酸素量と静脈(体各組織から心臓へ向かう)を流れる血液の酸素量の差」を表します。

 言い換えると、体各組織、特に筋肉が血液中から酸素を抜き取る力です。

 動静脈酸素較差は、筋血流量・毛細血管密度・ミトコンドリア容量/機能で決まります。

 交換神経活動が活発になると持久性運動時の血管収縮が起こりにくくなり、筋血流量が増加します。また、継続的な持久性トレーニングにより毛細血管密度ミトコンドリア容量の増加および機能の向上が得られます。

 ミトコンドリアは、トレーニング総負荷を増やすことで容量が高まりトレーニング強度を高めることで機能が高まることが知られています。

 ミトコンドリアについての説明は、次の記事で詳しく説明しています。

 筋血流量増加・毛細血管密度の向上・ミトコンドリアの容量増加と機能向上の結果として、動静脈酸素較差が向上し、VO2maxが向上します。

VO2maxの求め方(測定方法)・計算方法

 VO2maxを求める方法は次の通りです。

VO2maxを求める方法
  • 直接法:運動中の呼気ガス測定によりVO2maxを測定する
  • 間接法:レース記録等からVO2maxを推定する

 直接法では、VO2maxを正確に測定することができますが、測定機器がある場所に行き費用を支払って測定を行う必要があります。

 一方、間接法は、これまでのレース結果記録等からVO2maxを推定する計算方法になります。市民ランナーであれば、間接法を採用する方が多いと思います。

 間接法には、12分間走やシャトルランによる推定も可能ですが、それらをほとんど網羅できている計算方法がダニエルズ博士によって提唱されている「VDOT計算」となります。

 過去のレース記録を元に、VDOT(=最大酸素摂取量)を推定することが可能です。

 VO2maxを推定するのに最も適した競技は「3000m or 5000m」です。どちらかというと3000mの方がより適しています。

 理由としては、VO2maxの定義が「約11分間継続できる運動強度」の事を指すためです。

 ランニング初級者から中級者にとって、3000mを走りきるための時間は9~12分前後かと思います。

VO2maxを上げるための基本的な考え方

VO2maxは低強度運動でも向上する

 毛細血管密度ミトコンドリア容量・機能がVO2maxを決める要因であると説明しました。これらは低強度トレーニングでも高めることが可能です。

 ランニングを始めたばかりの初心者であれば、軽いジョギングでもVO2maxが向上します。

 しかし、トレーニングに適応するのはトレーニングで使った筋繊維のみとなります。また、ミトコンドリアの機能はトレーニング強度に依存して適応が進みます。

 したがって、ランニングパフォーマンスを向上させていくためには低強度なトレーニングだけでなく、VO2maxに近いような高い強度でのトレーニングも適宜取り入れていく必要があると言えます。

VO2maxに近い強度で長い時間運動を継続

 VO2maxを上げるためのトレーニングで重要なポイントは次の通りです。

VO2max向上の重要ポイント
  • VO2maxにできるだけ近い強度で運動を行う
  • VO2maxに近い強度でできるだけ長く運動を行う

 最も効率が良いトレーニングは「VO2max付近の強度で可能な限り運動を継続すること」ですが、そのような高い強度でトレーニングを継続的に行うことは非現実的です。

 VO2maxを上げるためのトレーニングとして一般的なのがインターバルトレーニングです。

図4 インターバルトレーニングでVO2maxが向上する仕組み

 インターバルトレーニングにおいて、VO2maxに近い速度で走り始めると約2分後に酸素摂取量上限に到達します。

 インターバルトレーニングでは、疾走とレストを繰り返しますが、本数を重ねるごと酸素摂取量が上限に到達するまでの時間が短くなり2本目以降は2分よりも早い段階で酸素摂取量の上限に到達します。

 最大酸素摂取量にできるだけ近い強度で、できるだけ長く運動(=繰り返し本数の合計時間)することで、最大酸素摂取量の向上が達成されます。

VO2max強度のトレーニングはあくまでも「最終調整」の位置づけ

 VO2max強度のトレーニングは、レースでパフォーマンスを発揮するための「最終調整」的な位置づけにあります。

 VO2max強度に近いトレーニングは体への負担が大きく、コストパフォーマンスは低いトレーニングだと言えます。「コスト」とは「疲労」を意味します。

 速筋繊維に刺激を与えミトコンドリアの機能を高めたいのであれば、わざわざ苦しいVO2maxインターバルトレーニングを行う必要はなく、200mの登坂走や400mのショートインターバルで着実にボリュームを稼ぐ方が、効率的と言えます。

 しかしそれでも、VO2max強度のトレーニングを導入する意味としては「レースに近い状況を作り出して反復し、レースペースに対してのエコノミーを高めていくこと」が主だと考えています。

 5000mレースに対して最もランニングエコノミーを高めることができるトレーニングは、5000mレースペースでのトレーニングになります。練習で5000mを一気に走り切ることは難しいため、インターバルに分割して取り組むことになります。

VO2maxを上げるトレーニングの考え方

 VO2maxを向上させるためのトレーニングとして最も知られているのがインターバルトレーニングです。

 ここでは、VO2max向上のためのインターバルトレーニングに必要な運動強度レスト時間の考え方について解説します。

 次の記事では、ランニングにおける具体的なインターバルトレーニングメニュー作成方法等を紹介しています。

 結論としては、VO2maxに十分な刺激を入れるために必要な運動強度は88%VO2max(90%HRmax)以上であると言えます。

 また、5000m以下のレースに向けてトレーニングを行う場合は、100%VO2max前後の強度でトレーニングを行う必要があると考えています。

VO2max向上に必要な運動強度(ダニエルズ理論)

 ダニエルズのランニングフォーミュラでは、VO2maxトレーニングでの運動強度が下記のように提唱されています。

VO2maxトレーニングでの運動強度(ダニエルズ)

95~100%VO2max(=96~100%HRmax)

参考:
97.5%VO2max:5000mレースペース、100%VO2max:3000mレースペース
(100%VO2maxがどの距離のレースペースに相当するかはランナーのレベルによって異なる)

 しかし、高校駅伝名門校である京都洛南高校では、普段のインターバルトレーニングはもっと低い強度で行っているようです。

 ダニエルズ理論で紹介されているよりも、低い運動強度でVO2maxが向上することが示された論文を1つ紹介します。

論文紹介:インターバルの強度により得られる効果の違い

Adaptations to aerobic interval training: Interactive effects of exercise intensity and total work duration

 本論文では、被験者をトレーニング条件毎に4グループ(A~D)に分け、VO2max向上・LT値改善の効果に差があるかを実験しました。

条件毎グループ分けと説明
  • Aグループ:週4~6回の低強度トレーニングのみ
  • Bグループ:週2回の16分×4のインターバル
  • Cグループ:週2回8分×4のインターバルト
  • Dグループ:週2回4分×4のインターバル
  • B~Dグループは上記に加え週2~3回の低強度トレーニングを実施

 トレーニング前後での、VO2max値の改善結果を下表に示しています。

スクロールできます
トレーニング
条件
A:低強度B:16分×4C:8分×4D:4分×4
頻度(回/週)4.8±1.24.9±1.24.6±1.24.7±1.2
回数(回/週)1.8±0.11.9±0.11.8±0.1
時間(時間/週)8.5±1.57.6±1.95.7±1.55.7±2.0
心拍数
(%HRmax)
88±290±294±2
血中乳酸値
(mmol/L)
4.9±1.59.6±2.913.2±2.0
A~D グループ トレーニング条件

※心拍数は、インターバルにおける4セット目の最大心拍数を平均した値
※血中乳酸値は、2,4,6週目に、インターバルセッションの3,4セット目に測定した値の平均値

スクロールできます
A:低強度B:16分×4C:8分×4D:4分×4
Lactate Peak
(mmol/L)
14.913.714.813.914.113.413.814.0
VO2max
(ml kg/min)
52.754.551.154.452.858.350.453.2
VO2max
上昇率
+3.4%+6.6%+10.4%+5.5%
Power
4mmol(W)
222239228249241280220238
各グループにおけるトレーニング前後での乳酸ピーク値とVO2max値

 結果としては、「8分×4」のインターバルトレーニングを行ったグループが、最もVO2max上昇効率が良かった、となりました。

グループBグループCの比較

 1週間当たりのトレーニング量は、Bが7.6時間Cが5.7時間と、トレーニング時間が短いのにもかかわらず、Cグループの方が最大酸素摂取量は大幅に向上しています。

 BとCでの大きな違いはトレーニング強度です。

 トレーニング中の最大心拍数がBでは88%HRmaxだったのに対し、Cでは90%HRmaxです。Cの方が最大心拍数に近い領域でトレーニングを行っています

 88%HRmaxのトレーニングを16分間続けるよりも、90%HRmaxのトレーニングを8分間続けた方がVO2maxの上昇率が高いということが示されています。

グループCとグループDの比較

 一方、94%HRmaxのトレーニングを4分間続けたDグループと比較しても、Cグループの方がVO2maxが上昇しています。

 VO2maxを効率的に鍛えるには、心拍数が適度に「高い」状態を「長く」維持することが望ましいということが示されています。

 練習強度(=運動中心拍数)がある一定以上落ちると、著しく最大酸素摂取量向上の効率が落ちていく、ということも分かりました。

 運動強度が90%HRmax未満に下がってしまうと、最大酸素摂取量への刺激が極端に少なくなってしまうということがわかります。

重要Point
  • 最大酸素摂取量を効率的に鍛えるためには、適度に高い心拍数を長く維持することが望ましい
  • HRmax90%未満の運動強度になると、最大酸素摂取量への刺激が極端に減る

運動強度を維持するための適切なレスト時間

 これまで述べてきた通り、VO2maxを上げるためには適切な一定の運動強度以上でトレーニングを行う必要があります。

 インターバルトレーニングにおけるレスト区間では、時間が短すぎたり強度が高すぎたりすると、疾走区間で必要な運動強度が得られなくなってしまうため、レストを適切に設定する必要があります。

 適切なレスト時間を調べるために行われた論文を紹介します。

参考文献:
The impact of rest duration on work intensity and RPE during interval training
Stephen Seiler, Ken J Hetlelid

 十分にトレーニングされたランナーを対象に、傾斜度5%のトレッドミルを使って、4分×6セットのインターバルトレーニングを3回行いました。グループを3つに分け、レスト時間を1分・2分・4分に設定しました。

 結果としては、レスト時間を2分に設定したグループがレスト時間を1分に設定したグループよりも1~2%程度高い強度で疾走することができた結果となりました。

 一方、レスト時間を4分に伸ばしても、2分のグループと比べて、疾走速度を上げることはできませんでした。

 本論文ではその後、「4分×6セットのインターバルを、レスト時間を決めずに各自心地よいレスト時間をとってよい」というルールで実験をしました。

 自由にレスト時間を決めた時の、「自己選択したレスト時間の平均値は2分」となったそうです。

 したがって、この集団における適切なレスト時間は2分だと考えられます。疾走時間が4分に対してレスト時間は2分となり、運動:休息の比が2:1が適切であると結論づけられます。

100%VO2maxに相当する強度でのVO2maxトレーニングが必要な理由(考察)

 私自身の結論として「100%VO2maxに相当する高い強度でのトレーニングは時と場合によっては必要」だと考えています。

 ただしそれは、「5000mよりも短い距離のレースに出場する予定がある場合」という条件付きです。

 また、400mのような短い距離に区切ったインターバルトレーニングでは、5000mレースペースよりもペースが速いインターバルトレーニングも、時と場合によっては導入する意味があると考えています。

 これまでで述べてきた通り、VO2max強度でのトレーニングはあくまでも「最終調整」的な位置づけであり、目標とするレースペースでのランニングエコノミーを高めることができることがメリットであると考えています。

 5000mレースペースはおよそ95%VO2maxに相当する強度ですが、それよりも短い3000mレースペースは、ほぼ100%VO2maxに近い強度に相当します。

 3000mレースで記録を出すことを狙う場合、3000mレースペースにおけるエコノミーを高めていく必要があるため、必然的に3000mレースペースでのトレーニングを導入していく必要がある、ということです。

 結果として、100%VO2max強度のトレーニングを取り入れることになります。

 したがって、「VO2maxを高めるために、100%VO2maxに近いトレーニングを行う」という発想ではなく、「100%VO2maxでのレースに出場する予定があるから、100%VO2maxに近いトレーニングを行う必要がある」という思考に切り替える必要があると考えています。

 皆様の参考になれば幸いです。

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