Текст книги "Sapiens на диете. Всемирная история похудения, или Антропологический взгляд на метаболизм"

Хвала Натану Лифсону

В 1950-х годах, примерно в то же время, когда ученые разрабатывали факторный анализ, Натан Лифсон, физиолог из Миннесотского университета, исследовал совершенно другой подход к расчету ежедневных энергетических затрат. Он был уроженцем Миннесоты и родился в «штате сусликов»[28]28
  «Штат сусликов» – шуточное название Миннесоты. – Прим. ред.


[Закрыть] в 1911 году. Почти всю взрослую жизнь он провел в Миннесотском университете: в 1931 году получил степень бакалавра, в 1943 году – докторс кую и, кроме двухлетнего пребывания в Сан-Диего (где, по-видимому, научился ненавидеть солнечный свет и тепло), все остальные 15 лет научной карьеры провел в alma mater. Период обучения в аспирантуре совпал с крупными достижениями в области науки о метаболизме, сделанными Клайбером и его современниками, и поэтому, возможно, достаточно логично, что и Лифсон в итоге заинтересовался проблемой измерения ежедневных энергетических затрат.

Чтобы понять прорыв ученого, нужно начать с того, что наше тело, по существу, представляет собой большой бассейн с водой (около 65 % – это Н₂О). На самом деле, жидкость в организме человека подобна водоему с приливами и отливами. Атомы водорода и кислорода в нашем водном бассейне находятся в постоянном движении, они попадают в организм с едой и напитками и покидают его в виде мочи, кала, пота и выделений при дыхании.

На ранних этапах работы Лифсон выяснил, что у атомов кислорода в водном бассейне нашего тела есть альтернативный способ покинуть его. Когда во время процесса метаболизма какой-либо молекулы на основе углерода (см. Главу 2) образуется углекислый газ (СО₂), один из атомов кислорода в новой молекуле берется из воды, находящейся в организме. Затем этот атом выдыхается в виде СО₂. В целом, суть следующая: водород покидает организм в виде воды, а кислород может выходить него как вода или как углекислый газ.

Лифсон пришел к выводу, что, если бы он мог отслеживать скорость выхода атомов водорода и кислорода из тела, то вычислил бы скорость производства CO₂. А поскольку человек не может тратить энергию, не производя и не выдыхая углекислый газ (Глава 2), ученый понял, что, если бы он мог измерить скорость производства СО₂, то вычислил бы расход энергии. А самое главное, испытуемым не придется сидеть взаперти в метаболической камере. До тех пор, пока он мог отслеживать скорость потока водорода и кислорода с помощью случайного образца мочи, участники исследований могли делать все, что угодно.

Труднее всего было отследить атомы водорода и кислорода в форме воды. Лифсону пришла в голову идея использовать изотопы, которые являются атомами с нормальным числом протонов, но необычным количеством нейтронов. Например, у обычного кислорода восемь протонов и восемь нейтронов, тогда как у изотопа кислорода-18 – восемь протонов и десять нейтронов. Дейтерий – это изотоп водорода с одним нейтроном (у обычного водорода вовсе нет этих частиц). В воде, которую вы пьете каждый день, есть небольшое количество изотопов, и они не вредны. (Только некоторые изотопы радиоактивны: они испускают вредное излучение, когда распадаются на другие атомы.)

Работая с мышами, Лифсон использовал эти изотопы, чтобы отследить поток атомов кислорода и водорода, когда они покидали тело. Изотопы действовали точно так же, как обычные атомы кислорода и водорода в организме, но он мог использовать их в качестве индикаторов. Если бы дейтерии составлял 10 % водорода в «бассейне» тела испытуемого в понедельник и только 5 % в среду, это означало бы, что половина меченой воды покинула организм и уже была восполнена обычной. Затем он мог использовать эти измерения для расчета скорости потери атомов водорода. Разница между этими двумя показателями должна была отражать уровень производства углекислого газа. Исследования, проведенные Лифсоном на мышах, показали, что изотопные измерения полностью соответствуют производству CO₂, измеренному метаболической камерой.

В 1982 году Лифсон опубликовал первое исследование с участием людей, проведенное методом дважды меченой воды.

Поскольку человек не может сжигать калории, не производя углекислый газ, этот метод позволил точно и четко измерять ежедневные затраты энергии. И самое главное, испытуемым больше не нужно было сидеть в камере: до тех пор, пока они каждые несколько дней сдавали образцы мочи или крови для измерения уровня изотопов, люди могли заниматься обычными делами, делая все, что хотят. Лифсон изобрел невозможное: надежное средство измерения ежедневного расхода в повседневной жизни.

Однако оставалось решить проблему цены. Количество изотопов, необходимых для измерения, пропорционально размеру тела. Это сделало эксперименты на мышах или других мелких животных относительно дешевыми, однако создало проблему при исследовании человека. В 1955 году количество изотопов, необходимых для взрослого весом 68 кг, стоило более 250 000 долларов в пересчете на сегодняшний курс. К 1970-м годам некоторые прогрессивные исследователи в области физиологии животных, такие как Кен Наги и Клаас Вестертерп, использовали метод Лифсона при изучении птиц и ящериц в дикой природе. Наги даже сотрудничал с приматологом Кэтрин Милтон, чтобы измерить ежедневные затраты энергии у диких обезьян-ревунов. Но за исключением нескольких исследований на мелких видах, метод Лифсона так и не прижился.

Потребовалось еще одно десятилетие, чтобы прогресс в производстве и измерении изотопов смог сделать цену на них более приемлемой. К 1980-м годам дейтерий и кислород-18 были достаточно дешевыми: стоимость составляла примерно 1 % от цены 1950-х или 60-х годов. 1980-е считаются периодом пандемии ожирения, и в это время исследователи стремились разработать метод измерения расхода энергии за стенами лаборатории. Дейл Шеллер, работавший в Аргоннской национальной лаборатории в Чикаго, наткнулся на работу Лифсона, когда изучал литературу об использовании изотопа кислорода-18 для измерения водного «бассейна» тела. Поняв, что технология и затраты изменились со времени открытия и что теперь можно сделать метод Лифсона экономически эффективным, Шеллер начал адаптировать его для применения на людях. В 1982 году он опубликовал первое исследование, проведенное методом дважды меченой воды, проведенное с участием людей. Именно так возникла новая область в изучении человеческого метаболизма.

Вскоре стало понятно, что многое из того, что считалось известным об энергетических затратах, было неверным. Метод Лифсона привел науку о человеческом метаболизме в новую эру. К тому времени, почти через тридцать лет после первой публикации об этом открытии, Лифсон был почетным (уже почти на пенсии) профессором и было уже слишком поздно делать его частью новой эпохи открытий. Но он прожил достаточно долго, чтобы увидеть, как его вклад в науку начал революцию в метаболических исследованиях и получил заслуженное признание. Шеллер даже звонил Лифсону на ранних стадиях первого исследования на людях, и тот всегда был очень дружелюбно настроен и рад слышать, что его идея работает. В 1986 году Эндрю Прентис в Кембридже провел конференцию Британского общества нутрициологов (British Nutrition Society), чтобы обсудить метод дважды меченой воды, и Лифсон был почетным гостем на этом симпозиуме. В следующем году за свое открытие он был удостоен престижной премии имени Артура Ранка за вклад в науку о питании. Через два года после этого Лифсон умер.

Революционный метод дважды меченой воды

Благодаря методу Лифсона – более известному как метод дважды меченой воды – мы наконец можем точно измерить ежедневные затраты энергии в повседневной жизни людей. Сегодня такие лаборатории, как моя, могут определять ежедневные затраты энергии человека, используя метод дважды меченой воды, примерно за шестьсот долларов. За три десятилетия, прошедшие с тех пор, как Шеллер адаптировал эту процедуру для исследований на людях, удалось измерить показатели тысяч людей с разной продолжительностью жизни по всему миру. Так в чем же суть? Сколько калорий мы тратим каждый день? Это зависит от многих факторов, но, конечно, не от тех, о которых вы подумали в первую очередь.

Самые главные предикторы ежедневного расхода энергии – это размер и строение вашего тела. У крупных людей больше тканей, а чем больше клеток, выполняющих метаболическую работу, тем больше калорий сжигает человека. И, как мы уже знаем, некоторые органы и ткани тратят больше калорий, чем другие. Самое главное, жировые клетки расходуют намного меньше энергии каждый день, чем мышцы и другие органы. Если жировые клетки составляют большую часть веса тела, вы будете сжигать меньше калорий каждый день, чем человек, который весит столько же, но выглядит худее вас. Поскольку у женщин, как правило, больше жира в организме, чем у мужчин, они обычно сжигают меньше калорий каждый день, чем представители сильного пола с аналогичной массой тела.

Я собрал данные сотен измерений методом дважды меченой воды у мужчин, женщин и детей в график ежедневных энергетических затрат в зависимости от массы тела (Рис. 3.4). Как видно из этих графиков, суточные затраты энергии (ккал в день) растут с увеличением массы тела (которая выражается в кг) криволинейным образом, подобно закону Клайбера, который оценивал затраты энергии в зависимости от размеров животных (Рис. 3.3).

Уравнения на Рис. 3.4 дают надежные оценки ежедневных энергетических затрат для всех людей, от младенцев до долгожителей, от худых до полных. Вы можете использовать свой вес в соответствующем уравнении и рассчитать примерные ежедневные затраты энергии. Обратите внимание, однако, на функцию ln. Это означает, что вам нужно взять натуральный логарифм веса, прежде чем умножить результат на 786 (у женщины) или 1105 (у мужчины) и вычесть соответствующий коэффициент. Если ваши математические навыки не очень хороши, вы также можете просто предположить, каково ваше значение на Рис. 3.4, чтобы вычислить предполагаемые ежедневные затраты энергии. У женщины весом 63 кг расчетный ежедневный расход энергии составляет 2300 ккал, а для человека весом 72 кг – 3000 ккал.

Влияние массы тела на энергетические затраты поразительно. Форма зависимости от него похожа на кривую закона Клайбера для разных видов (Рис. 3.3). Суточные затраты резко возрастают с увеличением массы тела у детей. Их клетки расходуют гораздо больше энергии каждый день, чем клетки более крупных и пожилые людей. Если вы когда-нибудь прижимали к себе ребенка и чувствовали, как бьется его сердце в крошечной груди, то понимаете, как напряженно работает его тело. Каждый килограмм обычного трехлетнего ребенка сжигает около 77 ккал в день. Это число неуклонно снижается в позднем детском и подростковом возрасте, достигая примерно 33 ккал на кг после 12 лет.

Криволинейная зависимость между весом тела и ежедневным расходом энергии означает, что мы должны с осторожностью сравнивать затраты у разных индивидов. Часто люди (в том числе исследователи и врачи, которые должны это знать) просто делят затраты энергии на вес, чтобы сравнить скорость метаболизма людей разного веса. Предположение, лежащее в основе этого подхода, состоит в том, что затраты энергии на килограмм должны быть одинаковыми для всех. Но это так не работает. Поскольку соотношение между размером и энергетическими затратами так искривлено (Рис. 3.4), маленькие люди по своей природе сжигают больше энергии на килограмм, чем крупные. Именно так работают биология и арифметика. Если сравнивать ежедневные затраты энергии (или скорость основного обмена, если уж на то пошло), просто разделив скорость метаболизма на размер тела, мы получим ошибочное представление, что маленькие и крупные люди сильно отличаются, в то время как на самом деле это не так.

Рис. 3.4. Суточные энергетические затраты человека (ккал в сутки).

Толстые кривые линии тренда и уравнения дают ожидаемый ежедневный расход энергии в зависимости от массы тела. Чтобы определить ваши предполагаемые ежедневные затраты, найдите свой вес на горизонтальной оси x и проследите ее прямо вверх, до линии тренда. Затем следуйте по горизонтали влево до вертикальной оси y, чтобы найти предполагаемый энергетический расход энергии. Вы также можете использовать уравнения. Для детей весом менее 9 кг используйте график, сделанный для женщин. Каждая серая точка представляет собой средний вес и расход для одной из 284 популяций, результаты которых были получены с помощью метода дважды меченой воды. Вариативность очень важна. Нет ничего необычного в том, что ежедневные затраты человека отклоняются от ожидаемого значения на ±300 ккал в день. Более светлые линии показывают процентили расхода.[29]29
  LN – натуральный логарифм. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]

Лучший способ узнать, имеет ли человек или популяция особенно быстрый или медленный метаболизм, – это изобразить их значения в виде диаграммы, подобной Рис. 3.4, и посмотреть, как они соотносятся с линией тренда. Это тот же самый подход, который педиатры используют, когда указывают рост или вес ребенка на диаграмме роста. Диаграмма (или, в нашем случае, Рисунок 3.4) позволяет увидеть, будут ли показатели выше или ниже среднего.

Маленькие серые точки на Рис. 3.4 – это средние значения изученных показателей 284 популяций, состоящих из мужчин и женщин. Толстая черная кривая – это линия тренда для энергетических затрат: среднесуточных показателей для любой заданной массы тела. Как и в любом случае, половина населения имеет показатели выше линии тренда, а другая – ниже. Мы можем сказать, что у тех, чьи показатели выше линии тренда, более высокие, чем ожидалось, ежедневные затраты энергии. А у людей, чьи показатели ниже, более низкие ежедневные энергетические затраты.

На Рис. 3.4 следует обратить внимание на величину изменения суточных энергетических затрат, даже после учета массы тела. Показатели многих популяций опускаются выше или ниже линии тренда – ожидаемого ежедневного расхода – на 300 ккал в день или более. Это грязный маленький секрет онлайн-калькуляторов скорости основного обмена и ежедневных затрат энергии: существует множество вариаций в скорости метаболизма даже после того, как мы учитываем точный вес и пол. Когда вы получаете информацию о суточном расходе или скорости основного обмена таких образом – или если высчитываете показатели с помощью Рисунка 3.4, – нужно помнить, что к этой информации следует относиться скептически. Можно ошибиться на несколько сотен килокалорий. Идея о том, что у одних людей быстрый метаболизм, а у других медленный, – это не просто газетная утка. Это реальность.

* * *

Мы привыкли думать, что понимаем, почему энергетические затраты людей различаются. Конечно, мы думали, что можно просто сложить килокалории, потраченные на физическую активность, функционирование органов, рост, терморегуляцию, пищеварение и прочее, и вычислить ежедневные энергетические затраты. И это, конечно, правда, что они должны включать все эти затраты. Но новый метод дважды меченой воды был настоящим озарением, заставившим увидеть реальную ситуацию. Вместо того, чтобы просто складываться, как счет за продукты на кассе, все части ежедневного расхода – физическая активность, рост, иммунитет и прочее – взаимодействуют и влияют друг на друга динамичными и сложными способами. Ежедневные затраты энергии – это не просто сумма ее частей.

Новая наука о метаболизме человека

Долгая история науки об обмене веществ сама по себе внушает доверие к ней. Истоки этого направления следует искать еще два столетия назад и обратиться к первым провидческим работам Лавуазье и его современников эпохи Просвещения. Золотая эра открытий, совершенных пионерами вроде двух Максов (Рубнера и Клайбера) и другими, была почти сто лет. Наиболее распространенные методы, используемые для оценки энергетических затрат – факторный анализ и диетологические исследования – существуют уже несколько десятилетий. Поэтому мы так уверены, что знаем все, что нужно, о том, как наши тела сжигают энергию.

Но существует также и метаболическое разнообразие между индивидуумами, популяциями и видами. И устоявшиеся представления об энергетических затратах не могут их объяснить. В метаболических вариациях между видами, включая наш собственный, гораздо больше нюансов, чем описывает закон Клайбера. Люди и популяции отличаются друг от друга количеством энергии, которую сжигают каждый день, но простая арифметика факторного анализа не может в полной мере отразить того, что происходит с нашими телами.

Почему люди сжигают от 2500 до 3000 ккал в день? Почему некоторые из нас тратят больше энергии, чем обычно при их телосложении, в то время как другие расходуют меньше? Какое воздействие на здоровье и долголетие оказывает обмен веществ? И как образ жизни, ежедневная физическая активность и питание влияют на энергетические затраты и метаболическое здоровье?

Остальная часть этой книги посвящена этим важным вопросам. С твердым пониманием того, как работает метаболический механизм тела человека, описанный в двух последних главах, мы вступаем в новую эру открытий в науке об обмене веществ. Мы начинаем в не самом предсказуемом месте, в крошечной деревушке в Грузии, в предгорьях кавказских гор вдоль старого Шелкового пути.

Глава 4
Как люди эволюционировали в самых дружелюбных, приспособленных и толстых обезьян как люди эволюционировали

Ранним прохладным июльским утром, когда трава еще была покрыта росой, я проснулся в маленькой палатке и осторожно выбрался из спального мешка через влажную дверь на молнии. Из желтого нейлонового купола открывался панорамный вид на темные лесистые холмы и бледно-зеленые пастбища. Моя палатка и еще несколько других были разбросаны по неухоженной лужайке рядом с раскопками, двухэтажным домиком-кухней, где собиралась большая компания археологов, геологов и палеоантропологов. Это была середина ежегодного полевого выезда, и мы раскапывали каменные орудия и окаменелости человека прямоходящего (Homo erectus).

Где-то подо мной, слишком глубоко, чтобы я мог услышать, неслась река Пасанаури. Это было место, где она текла мимо развалин старых бань, в которых когда-то приветствовали путешественников и торговцев, проплывавших вдоль Великого шелкового пути. По ту сторону долины поля на дальнем склоне холма были усеяны развалинами рухнувших каменных гробниц монгольских захватчиков. Над ними, на высокой вершине, высилось то, что осталось от гордого средневекового города. А в почве под этими руинами лежали окаменелые кости древних людей, возраст которых составлял примерно 1,8 миллиона лет. Весь ландшафт представлял собой настоящий памятник человеческому непостоянству. Волна за волной беспрерывного честолюбия и безумия.

И вдруг я почувствовал, как что-то начало подниматься во мне – темный и бурлящий поток. Спотыкаясь, я добрался до края небольшой полянки, и меня вырвало прямо на кусты. Рука какого-то мстительного бога схватила мое тело и сильно сжала, чтобы изгнать зло изнутри. Горячий пенистый мусор хлынул наружу. Я сидел, сложив руки на коленях, в глазах блестели слезы, и я чувствовал рвотные позывы, которые сопровождались спазмами. Они сотрясали тело; казалось, что глазные яблоки вот-вот выскочат из орбит и беспомощно повиснут на зрительных нервах. Когда наконец все закончилось, я, выжатый и помятый, как старый тюбик зубной пасты, вытер рот тыльной стороной ладони и медленно выпрямился.

После таких мерзких эпизодов наступает глубокое и совершенное спокойствие, кратковременная передышка от головной боли, тошноты и ощущения надвигающейся катастрофы поистине ужасного похмелья. В эти моменты ясности я обдумывал свое положение. Невероятные обстоятельства и случайности истории, которые сделали существование этого волшебного места возможным. Мне невероятно повезло, что я каким-то образом оказался здесь. Ах, каким я был неблагодарным! Испорченным. Просто быть здесь было недостаточно. Я переборщил, позволив первому бокалу вина за вчерашним ужином превратиться в пьяную вечеринку под звездами. Я был не один. Я повернулся, чтобы подойти к длинному общему столу, и увидел, как несколько моих приятелей-гуляк с затуманенными глазами храбро принялись поедать хлеб и запивать его чаем.

Когда я медленно подошел, чтобы присоединиться к ним, у меня было смутное желание повернуть все вспять, использовать этот момент, чтобы вырасти, повзрослеть и навсегда оставить такую разрушительную глупость позади. Я произнес безмолвную молитву идиотов: «В следующий раз все будет по-другому». Это было не первым подобным эпизодом. Мне было известно, что это вряд ли окажется правдой, но тогда, находясь в эпицентре происходящего, я был настроен оптимистично. В конце концов, мы были умной командой – многообещающие ученые, получившие докторские степени в самых престижных научных институтах на планете. У нас хватило ума и выдержки, чтобы завоевать достойные места в высших учебных заведениях и проложить себе путь сюда, в одно из самых чудесных мест на Земле.

Конечно, у нас было достаточно здравого смысла, чтобы быть осторожными и умеренными и позаботиться о себе. Правда, никто из нас не проявил никакого таланта к самоограничению, но давайте будем реалистами. Конечно, мы могли бы наслаждаться плодами развитого человеческого интеллекта и коллективных усилий, не позволяя любопытству и гедонизму отвлекать нас…

И эта мысль испарилась как облако, прежде чем я успел ее закончить. Настало время завтрака. Нас еще ждали окаменелости, которые сами себя не выкопают. Поэтому я плюхнулся на длинную скамью рядом с остальными за столом, схватил кусок хлеба нетвердыми руками и намазал на него масло и мед, сделал глоток чая. Я уже чувствовал, как возвращается похмелье, похожее на отдаленный стук копыт монгольской орды.

Это была ежегодная поездка на Нижнепалеолитическую стоянку Дманиси в Грузии. Каждое лето во время учебы в аспирантуре я брал перерыв от беговых дорожек и изучения метаболизма и отправлялся в крошечную земледельческую деревушку Патара-Дманиси в предгорьях Кавказа. Для успешного обучения в аспирантуре, конечно, не рекомендуется брать отпуск длиной в месяц во время написания квалификационной работы, но это было слишком интересно и весело, и я не мог такого пропустить. Чего я тогда не понимал, так это того, как это место было связано с моими исследованиями в области человеческого обмена веществ и как оно отражало критически важный период в нашей метаболической эволюции. Здесь запечатлен уход из мира обезьян, первые эволюционные шаги к чему-то гораздо более человеческому. И секретным ингредиентом, который заставил все это работать, были изменения в том, как мы получали пищу и сжигали калории – изменения, с которыми мы все еще боремся сегодня.