หน้าที่ของระบบหายใจกับระบบไหลเวียนของเลือด มีส่วนเกี่ยวข้องร่วมกันคือ การนำออกซิเจนไปสู่เซลล์ของร่างกาย และนำคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาทิ้ง จึงได้นำทั้ง 2 ระบบ มาไว้ในบทเดียวกัน
ระบบหายใจ
หลอดลมมีหน้าที่ไม่เพียงแต่นำอากาศเข้าออกสู่ปอดเท่านั้น ยังมีหน้าที่ทำความสะอาด ทำให้อบอุ่นและเพิ่มความชื้นให้กับอากาศ ก่อนที่จะหายใจได้ไปจนถึงถุงลมด้วยแรงที่ดูดอากาศเข้าและบีบออกจากปอดมาจากการทำงานของกล้ามเนื้อ ซึ่งจะผ่านแรงนี้เข้าไปในช่องปอด พลังงานที่ต้องใช้ส่วนใหญ่ก็เพื่อสู้กับแรงต้านทานของการไหลของอากาศเข้าสู่ปอดและออกจากปอด ใน ระหว่างออกกำลังกาย การหายใจจะเพิ่มมากกว่าตอนพักมากมาย แก๊สทั้ง 2 ชนิดจะถ่ายเทแลกเปลี่ยนกัน ระหว่างอากาศและเลือด ผ่านทางผนังของถุงลม ฮีโมโกลบินจะนำออกซิเจนซึ่งไม่ค่อยละลายในนํ้าเหลืองไปสู่ส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย ส่วนคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งละลายง่ายในนํ้าเหลืองในรูปไบคาร์บอเนต
ในขณะออกกำลังหนัก การหายใจและการไหลเวียนของเลือดจะต้องทำงานเกือบเต็มที่ สาเหตุหรือกลไกที่ทำให้การหายใจเพิ่มขึ้นขณะออกกำลังกายยังไม่เป็นที่ทราบชัด
ระบบไหลเวียนของเลือด
เลือดจากเส้นเลือดดำของร่างกาย ถ่ายเทเลือดดำสู่หัวใจด้านขวา จากนั้นหัวใจจะบีบเลือดดำนี้เข้าไปในปอด เพื่อให้ปอดฟอกหรือเก็บออกซิเจนกลายเป็นเลือดแดง แล้วไหลวนกลับ ไปสู่หัวใจด้านซ้าย แล้วจึงจะถูกบีบออกไปเลี้ยงส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย
หัวใจอาจจะส่งเลือดไป ณ ที่ใดในร่างกายได้ตามความต้องการ เช่นที่กล้ามเนื้อที่กำลังออกกำลังอยู่ เส้นเลือดแดงเล็ก ๆ (arteriole) สามารถเปลี่ยนแปลงขนาดได้ จึงทำให้แรงต้านทาน ในหลอดเลือดเปลี่ยนแปลงตามด้วย
จากเส้นเลือดแดงเล็ก ๆ จะส่งเลือดผ่านมาที่เส้นเลือดฝอย ซึ่งเป็นที่แลกเปลี่ยนออกซิเจน อาหาร และของเสียจากการเผาผลาญระหว่างเลือดกับเนื้อเยื่อต่าง ๆ เส้นเลือดดำเล็ก ๆ (venules) ทำหน้าที่กักเก็บเลือดที่ใช้แล้ว ตัวมันเองสามารถจะบีบตัวได้ถ้าจำเป็น (เช่นในกรณีที่เสียเลือด) เพื่อจะได้ส่งเลือดให้กับส่วนอื่นที่ต้องการเลือดได้
กล้ามเนื้อที่กำลังออกกำลังอยู่ จะได้ออกซิเจนจากเลือดมากกว่าในสภาวะพักมาก เช่นกัน การไหลเวียนของเลือดก็ต้องเร็วขึ้นมากขึ้นตามมาด้วย ในทางตรงกันข้ามกล้ามเนื้อหัวใจต้องการออกซิเจนจากเลือดเพิ่มขึ้นถึง 70% จากปกติ ในบางคราวเกิดขึ้นได้แม้แต่อยู่ในสภาวะพักอยู่ ฉะนั้นจึงไวต่อการอุดตัน หรือการกั้นการไหลเวียนของเลือดเป็นอย่างยิ่ง ดังเช่นในโรคเส้นเลือด หัวใจตีบตัน
ความดันโลหิตจะต้องรักษาระดับไว้ เพื่อที่จะสามารถนำเลือดไปสู่ส่วนต่าง ๆ ได้ การเปลี่ยนแปลงความดันโลหิตจะรับรู้ที่ Baroreceptor ซึ่งจะส่งสัญญาณไปตามระบบประสาทอัตโนมัติ ไปทำให้ปริมาณเลือดที่หัวใจปั๊มออกมา และความต้านทานในหลอดเลือดเปลี่ยนแปลง เพื่อรักษาให้ความดันโลหิตคงที่อยู่ได้
การเพิ่มปริมาณเลือดในหัวใจ จะไปยืดกล้ามเนื้อหัวใจ ซึ่งจะเป็นการกระตุ้นให้หัวใจบีบตัวแรงขึ้น ชีพจรเต็นเร็วขึ้น โดยการกระตุ้นประสาทซึมพัตเทติค และโดยการหลั่งอีปิเนฟรีน และนอร์อีปิเนฟรีนของต่อมหมวกไต
ผลของการออกกำลังต่อระบบหายใจ
เมื่อเริ่มต้นออกกำลังกาย จะมีการเพิ่มการหายใจอย่างปานกลางโดยทันที ซึ่งอาจจะเป็นผลจากสมองสั่งการลงมา หรือเป็นผลจากการเคลื่อนไหวของกระดูก ข้อ กล้ามเนื้อก็ได้ อีก 2-3 นาทีต่อมา ถ้ายังออกกำลังต่อไป การหายใจจะค่อย ๆ เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ และค่อย ๆ คงที่ ไม่เพิ่มต่อไปอีก ช่วงนี้อาจจะเป็นผลจากการกระตุ้นของสารเคมีบางอย่าง ซึ่งกลไกยังไม่เป็นที่ทราบชัด กล้ามเนื้อที่ทำงานจะให้ของเสียออกมาคือคาร์บอนไดออกไซด์และกรดแลคติค และต้องการออกซิเจนมากขึ้นด้วย ในขณะนั้นคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนในปอดจะยังคงปกติ นอกจากจะออกกำลังหนักจริง ๆ การที่เลือดมีฤทธิ์เป็นกรดมิได้เป็นผลจากการหายใจ เมื่อหยุดการออกกำลัง การหายใจจะลดลงทันทีเช่นกัน และลงมากกว่าขาขึ้นเสียอีก ต่อจากนั้น จะค่อย ๆ กลับสู่สภาพปกติ แต่ช้ากว่าขาขึ้น
การสูบบุหรี่ เป็นสาเหตุให้การออกกำลังไม่ได้ทนทาน ซึ่งยังหาคำอธิบายไม่ได้ แต่ที่ทราบแน่ชัดคือ บุหรี่จะเพิ่มแรงต้านทานในหลอดลม และจะขัดขวางการรวมตัวของออกซิเจนกับฮีโมโกลบิน โดยการที่มีคาร์บอนมอนอกไซด์เข้าไปรวมตัวแทน นอกจากนี้นิโคตินยังทำให้เส้นเลือดหดตัวและกระตุ้นให้หัวใจเต้นเร็วขึ้น ถึงแม้อยู่ในสภาวะปกติ พวกที่สูบบุหรี่มักมีอาการไอ เสมหะมากและเหนื่อยง่ายกว่าพวกไม่สูบบุหรี่ ถ้าสูบบุหรี่ติดต่อกันหลาย ๆ ปี จะมีการทำลายสุขภาพได้หลายทาง เช่น มะเร็งปอด ถุงลมพอง หลอดลมอักเสบเรื้อรัง นอกจากนี้ยังทำให้เกิดโรคหัวใจบางชนิด และเกิดโรคกระเพาะอาหารได้
ผลการออกกำสลังต่อระบบไหลเวียนของเลือด
การออกกำลังมีผลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงต่อหัวใจและหลอดเลือดได้มากมาย เป็นการเปลี่ยนแปลงเพื่อปรับสรีรภาพให้รับกับสภาพการณ์ใหม่ จะเป็นการเปลี่ยนแปลงชนิดใด ก็ขึ้นอยู่กับชนิดของการออกกำลังกาย โดยทั่วไปมีอยู่ 2 ชนิด คือ ชนิดเคลื่อนที่(Dynamic) และชนิดอยู่กับที่ (Static)
การออกกำลังแบบเคลื่อนที่หรือไอโสโทนิค คือการที่กล้ามเนื้อหดตัว แล้วทำให้ความยาวของกล้ามเนื้อนั้นเปลี่ยนไป ในขณะเดียวกันแรงเครียดในตัวกล้ามเนื้อเองกลับเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย
การออกกำลังแบบอยู่กับที่หรือไอโสเมตริค คือการที่กล้ามเนื้อหดตัวแล้วแรงเครียด ในกล้ามเนื้อเพิ่มขึ้นอย่างมากมาย แต่ความยาวของกล้ามเนื้อเกือบไม่เปลี่ยนแปลง
ส่วนใหญ่การออกกำลังมักจะเป็นรูปผสม จะไม่เป็นเฉพาะแบบหนึ่งแบบใดแต่อย่างเดียว ตัวอย่างของพวกที่มีการเคลื่อนที่มาก เช่น วิ่ง ว่ายนํ้า ขี่จักรยาน กรรเชียงเรือ เทนนิส แบดมินตัน เป็นต้น พวกที่มีการอยู่กับที่มาก เช่น ยกนํ้าหนัก แบกของ ผลักหรือดันรถ ออกแรงต้านกับของที่ยึดอยู่กับที่ เป็นต้น
นอกจากหัวใจและหลอดเลือด จะเปลี่ยนแปลงตามชนิดของการออกกำลังกายแล้ว ยังเปลี่ยนแปลงตามความหนักเบาของการออกกำลังด้วย เช่น การออกกำลังอย่างเฉียบพลันและรุนแรง หรือการออกกำลังที่ค่อย ๆเป็น ค่อยๆไป นาน ๆ เป็นต้น
การออกกำลังแบบเคลื่อนที่
พวกนี้กล้ามเนื้อทั้งมัดทำงานมาก จึงต้องการออกซิเจนมากตามการเผาผลาญที่เพิ่มขึ้นมาด้วย ดังนั้นจึงมีผลให้ปริมาณเลือดที่ปั๊มจากหัวใจแต่ละนาที ชีพจร และปริมาณเลือดที่ปั๊มจากหัวใจแต่ละครั้งเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในขณะเดียวกันความดันเฉลี่ยในหลอดเลือดแดงเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย โดยมีความดันขณะหัวใจบีบตัวเพิ่มขึ้น แต่ความดันขณะหัวใจขยายตัวไม่เปลี่ยนแปลง
ผลเฉียบพลัน ในขณะยืนพักหัวใจปั๊มเลือดออกมีปริมาณ 6 ลิตร/นาที ชีพจร 90/นาที และหัวใจปั๊มเลือดออกได้ 66 ลบ.ซม./ครั้ง เมื่อออกกำลังเต็มที่เลือดที่หัวใจปั๊มออกแต่ละนาที จะเพิ่มถึง4เท่า เป็น24ลิตร/นาที ๆ ชีพจรเพิ่มประมาณ 2 เท่า เป็น 190/นาที และหัวใจ ปั๊มเลือดออกแต่ละครั้งเพิ่มประมาณ 2 เท่า เป็น 126 ลบ.ซม./ครั้ง
ในขณะพัก กล้ามเนื้อได้รับเลือดเพียง 20% ของเลือดที่หัวใจปั๊มออกแต่ละนาที หรือประมาณ 1.2 ลิตร/นาที ขณะออกกำลังเต็มที่กล้ามเนื้อได้รับเลือดเพิ่มขึ้นถึง 90% ของเลือด ที่หัวใจปั๊มออกแต่ละนาที หรือ 21 ลิตร/นาที ซึ่งเกือบเป็น 20 เท่า เพิ่มขึ้นเนื่องจากมี metabolism สูงมาก ระหว่างการออกกำลังเต็มที่กล้ามเนื้อจึงต้องการออกซิเจนเกือบ 100% หลอด เลือดที่เลี้ยงอวัยวะต่างหดตัว เช่น ไต ตับ กระเพาะ ลำไส้ และอวัยวะภายในอื่น ๆ เพื่อที่เลือดจะได้ไปเลี้ยงกล้ามเนื้อให้ทำงานได้เต็มที่ แต่ในขณะที่ออกกำลังเต็มที่นี้ เลือดในหลอด เลือดหัวใจกลับเพิ่มขึ้น 4 เท่าตัว ฉะนั้นในรายที่มีเส้นเลือดแดงอุดตันเพียงแต่ออกกำลังเล็กน้อย ก็จะทำให้เกิดอาการเจ็บหน้าอกได้แล้ว สำหรับเลือดที่เลี้ยงสมองจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงในขณะออกกำลังกายเต็มที่
ความต้องการออกซิเจนมากที่สุดในขณะออกกำลังเต็มที่ จะมีสัดส่วนโดยตรงกับนํ้าหนักตัว และจะลดลงตามอายุ อายุที่มีความต้องการออกซิเจนมากที่สุดอยู่ระหว่าง 15 ถึง 20 ปี จากนั้นจะค่อย ๆ ลดลง จนอายุ 60 ปี จะเหลือเพียง 2/3 ของคนอายุ 20 ปี นอกจากนี้ความต้องการออกซิเจนมากที่สุดยังขึ้นอยู่กับกิจกรรมที่ทำอยู่ เช่นในคนหนุ่มสาวปกติขณะให้นอนพัก นาน 3-6 อาทิตย์ ความต้องการออกซิเจนมากที่สุดจะลดลง 20-25% จากเดิม ในทางตรงกันข้าม ในคนมีอายุนั่ง ๆ นอน ๆ สามารถจะเพิ่มขึ้นได้ 33% ภายหลังจากฝึกออกกำลังกายอย่างหนักติดต่อกันทุกวันเป็นเวลา 2 เดือน
ความแตกต่างของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงกับหลอดเลือดดำในขณะพัก เท่ากับ 5.6 ลบ.ซม./100 ลบ.ซม. ของเลือด แต่จะเพิ่มเป็น 15.8 ลบ.ซม./100 ลบ.ซม. ของเลือด เมื่อออกกำลังกายเต็มที่ ความจริงออกซิเจนในเลือดแดงไม่ค่อยเปลี่ยนแปลงนักมักจะคงที่ แต่ออกซิเจนในเลือดดำจะเปลี่ยนได้มาก สำหรับกล้ามเนื้อหัวใจความแตกต่างของออกซิเจนใน หลอดเลือดแดงกับหลอดเลือดดำจะสูงมากในขณะพัก คือประมาณ 14 ลบ.ซม./100 ลบ.ซม. ของเลือด ดังนั้นหัวใจจึงเกิดสภาวะขาดเลือดมาเลี้ยงได้ง่าย เมื่อมีโรคของเส้นเลือดนี้
ผลภายหลังผลที่สำคัญที่สุดคือ การเพิ่มความต้องการออกซิเจนมากที่สุด ซึ่งจะทำให้ความสามารถของการทำงานของหัวใจเพิ่มมากขึ้น และทำให้ผู้นั้นออกกำลังได้มากขึ้นและนานขึ้น ก่อนที่จะเกิดอาการอ่อนเพลีย เหนื่อยหรือเจ็บหน้าอก โดยทั่ว ๆ ไปความต้องการออกซิเจนมากที่สุดจะเพิ่มขึ้น 33% ในคนแข็งแรงอายุ 20 ปี ค่อนข้างกระฉับกระเฉงจะมีความต้องการออกซิเจนมากที่สุดประมาณ 45 ลบ.ซม./กก./นาที นักกีฬาโอลิมปิคประเภททนทานมักจะมี ความต้องการออกซิเจนมากที่สุด 75-80 ลบ.ซม./กก./นาที คนที่ไม่ได้ออกกำลังกายเป็นประจำ ยากที่จะมีความต้องการออกซิเจนมากที่สุดถึง 55 ลบ.ซม./กก./นาที ได้
ผลอีกอย่างหนึ่งคือ การเพิ่มปริมาณเลือดที่มากที่สุดที่ปั๊มจากหัวใจแต่ละครั้งและปริมาณเลือดที่มากที่สุดที่ปั๊มจากหัวใจแต่ละนาที ส่วนชีพจรสูงสุดเกือบไม่เปลี่ยนแปลงเลย ในขณะที่ออกกำลังยังไม่ได้เต็มที่ ชีพจรกลับจะลดลงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณเลือดที่ปั๊มจากหัวใจ แต่ละครั้งที่เพิ่มขึ้น สำหรับความแตกต่างของออกซิเจนในหลอดเลือดแดงกับหลอดเลือดดำ จะเพิ่มมากขึ้น
การออกกำลังแบบอยู่กับที่
ความดันเฉลี่ยในหลอดเลือดแดงเพิ่มขึ้นมาก ซึ่งตรงข้ามกับพวกเคลื่อนที่ แต่ขณะเดียวกันชีพจรและเลือดที่หัวใจปั๊มออกแต่ละนาทีเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น และทั้งความดัน ขณะที่หัวใจบีบตัวและขยายตัวเพิ่มขึ้นทั้งคู่
ผลเฉียบพลัน การทำให้กล้ามเนื้อแขนข้างเดียวเกร็งหดตัวแบบอยู่กับที่ก็จะทำให้ความดันเฉลี่ยในหลอดเลือดแดงเพิ่มขึ้นได้มาก (50-70 มม.ปรอท) เลือดที่หัวใจปั๊มออกแต่ละนาทีเพิ่มเล็กน้อย 1-2ลิตร/นาที ชีพจรเพิ่มขึ้นพอประมาณ 30-40 ครั้งต่อนาที เลือดที่ปั๊มออกจากหัวใจ แต่ละครั้งคงที่ การเปลี่ยนแปลงเช่นนี้ไม่เป็นปัญหาสำหรับคนหนุ่มสาวที่แข็งแรง แต่อาจเกิด อันตรายกับคนไข้ที่มีการเต้นของหัวใจไม่สมํ่าเสมอ หรือคนที่มีโรคหัวใจอยู่แล้วได้
การเพิ่มชีพจรและความดันโลหิต ขณะออกกำลังแบบอยู่กับที่จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเครียดที่เกิดขึ้นในกล้ามเนื้อที่กำลังออกกำลังอยู่ ถ้าเกร็งกล้ามเนื้ออยู่นานและกล้ามเนื้อนั้นจะขาดออกซิเจน และกล้ามเนื้อต้องกลับมาใช้พลังงานที่มิได้อาศัยออกซิเจน ฉะนั้น การออกกำลังชนิดนี้จึงมีขีดจำกัดมาก
ผลภายหลัง การออกกำลังแบบอยู่กับที่สามารถเพิ่มกำลังกล้ามเนื้อและขนาดกล้ามเนื้อได้อย่างมาก แต่ไม่มีผลทำให้ความต้องการออกซิเจนมากที่สุดเพิ่มเลย ไม่ว่าจะออกกำลังให้หนัก และนานเท่าใด ตัวอย่างเช่น นักมวยปลํ้ากับนักยกนํ้าหนักจะมีความต้องการออกซิเจนมากที่สุด มากกว่าคนที่ไม่ได้ออกกำลังเพียงเล็กน้อยเท่านั้น
พวกออกกำลังแบบเคลื่อนที่จะมีหัวใจที่ใหญ่กว่า และมีปริมาณออกซิเจนที่ได้จากการบีบของหัวใจแต่ละครั้งมากกว่าพวกออกกำลังแบบอยู่กับที่ เช่นฝาแฝดคู่หนึ่งฝึกการออกกำลัง คนละชนิดเป็นเวลานานปี (ยกนํ้าหนักและวิ่งทน) คนที่ยกนํ้าหนักมีนํ้าหนักตัวมากกว่าคนวิ่งทน 16กก. แต่นักยกนํ้าหนักมีปริมาตรของหัวใจน้อยกว่านักวิ่งทน150ลบ.ซม. และมีความต้องการออกซิเจนมากที่สุดน้อยกว่า 0.7 ลบ.ซม./กก./นาที
สำหรับคนไข้ที่มีโรคหัวใจ การออกกำลังแบบอยู่กับที่เป็นการออกกำลังกายที่ไร้ประโยชน์ สู้ชนิดเคลื่อนที่ไม่ได้ นอกจากนี้การออกกำลังแบบอยู่กับที่อย่างหนักควรจะหลีกเลี่ยงเสียด้วย