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

Тело в состоянии покоя

Все основные функции, которые наши клетки выполняют для поддержания жизни и функционирования организма, продолжают выполняться, когда мы начинаем двигаться. Они переходят в фоновый режим, сжигая энергию – таковы издержки поддержания жизни организма. Оценки энергозатрат, полученные с помощью приведенных выше уравнений для ходьбы, езды на велосипеде, плавания и восхождения, являются расходом сверх этих фоновых значений. Часто мы игнорируем эти невидимые затраты, когда говорим о физических упражнениях и сжигании калорий, но именно они больше, чем все, что вы, вероятно, будете делать в тренажерном зале.

Фоновые энергетические затраты имеют несколько названий: скорость основного обмена, базальные энергетические затраты, энергетические затраты в состоянии покоя, скорость метаболизма в состоянии покоя и стандартная скорость метаболизма. Разница между ними только в том, как измеряются эти показатели обмена веществ. Исследователи не всегда заботятся о том, какие термины используют, что вызывает путаницу. Скорость основного обмена является наиболее четко определенным термином: это скорость расхода энергии, измеряемая ранним утром, когда испытуемый лежит, бодрствует, но находится в спокойном состоянии при комфортной температуре и еще не принимал пищу (без еды в течение предыдущих шести часов). Если один или несколько из этих критериев нарушаются, то показатель обычно называют энергетическими затратами в состоянии покоя или каким-либо другим словосочетанием, объясняющим условия, в которых было проведено измерение.

Скорость основного обмена (а также его многочисленные варианты) – это сжигаемая энергия, которая расходуется, когда вы не выполняете никакой физической работы, не потребляете пищу, и ваше тело не прикладывает усилий, чтобы согреться. Самый лучший способ представить это – суммировать энергетические затраты органов на выполнение своих задач. Чем больше вы сами, тем крупнее ваши органы и тем больше работы они выполняют, поэтому неудивительно, что скорость основного обмена (СОО) (ккал в день) увеличивает массу тела (в кг).

Младенцы (от 0 до 3 лет): СОО = 27 × вес – 30

Дети (от 3 лет до полового созревания): СОО = 10 × вес + 511

Женщины: СОО = 5 × вес + 607

Мужчины: СОО = 7 × вес + 551

Для младенцев, детей, мужчин и женщин нам нужны разные уравнения. И на это есть две причины. Во-первых, масса тела оказывает странное нелинейное влияние на скорость метаболизма. Энергия на килограмм веса гораздо выше для более миниатюрных представителей человечества (включая маленьких людей), чем для больших, как мы обсудим ниже. Вот почему показатели для младенцев в уравнении (27) в четыре или пять раз выше, чем для мужчин (7) и женщин (5). Во-вторых, обмен веществ меняется по мере взросления, и физиология тоже переключается с задачи расти на размножение. Наши тела меняются в период полового созревания, причем женщины запасают больше жира, чем мужчины. Он не расходует столько энергии, сколько другие ткани, и поэтому в среднем количество калорий, сжигаемых на кг, у женщин (5) ниже, чем у мужчин (7).

Приведенные выше уравнения скорости основного обмена дают представление о фоновых потребностях тела в энергии в день, но это всего лишь приблизительные оценки. Ваш показатель может легко упасть или подняться выше того, что приведен в уравнении, на 200 ккал в день. Большая часть этих изменений связана с телосложением. Если большая часть веса – это жир, СОО, вероятно, упадет ниже прогнозируемого значения. Если большая массы тела – это мышечная ткань, то показатели, вероятнее всего, будут выше. Это одна из главных причин, по которой люди замечают, что их метаболизм замедляется в старости: по достижении среднего возраста мышцы в организме постепенно замещаются жиром.

Однако даже разные ткани сжигают за день неодинаковое количество калорий. Некоторые органы можно назвать «метаболически» спокойными, в то время как другие тратят достаточно энергии для пятикилометровой пробежки каждый день. Индивидуальные различия в размерах органов, особенно в соотношении мышечной массы к весу, могут оказывать заметное влияние на СОО. Далее мы заглянет за кулисы тайной метаболической жизни наших органов.

Мышцы, кожа, жир и кости

Самые большие органы – самые тихие. У типичного взрослого американца мышцы составляют 42 % массы тела, но только 16 % от СОО, что дает нам около 280 ккал в день (около 13 ккал в день на кг). Кожа весит 5 кг, но сжигает только 30 ккал в день; скелет немного тяжелее, но тратит еще меньше. Жировые клетки более активны, чем вы думаете. Они вырабатывают гормоны и транспортируют глюкозу и липиды для поддержания энергоснабжения организма. Тем не менее каждый килограмм жира сжигает только около 2 ккал в день, в общей сложности около 85 ккал в сутки. Это примерные расчеты для обычного взрослого весом 70 кг, у которого доля жира в организме составляет 30 %.

Сердце и легкие

Сердце – это насос из мышц. У него своя собственная электрическая система, и именно поэтому в древние времена во время жертвоприношений, когда правители майя вырывали сердца из груди жертв, они продолжали биться. С каждым ударом орган перекачивает около 70 мл крови в организм через аорту. Это около пяти литров в минуту – почти вся кровь в вашем теле. И это только когда вы находитесь в состоянии покоя. Во время тренировки сердечный выброс может легко утроиться. Удивительно, но вся эта работа проделывается по очень низкой «цене» – около 2 калорий за удар. Не килокалорий, а всего 2 калории (0,002 ккал). При частоте сердечных сокращений в состоянии покоя 60 ударов в минуту сердце сжигает около 8 ккал в час, что эквивалентно энергии от двух драже M&M’s. На долю этого органа приходится около 12 % от общего объема СОО. Легкие, для сравнения, в два раза больше сердца, но сжигают только около 80 ккал в день, или около 5 % от СОО.

Почки

Почки – это обслуживающий персонал организма: неутомимый, незаменимый и недооцененный. В дополнение к поддержанию нужного количес тва воды в теле они также отвечают за очистку от отходов и токсинов, фильтруя 180 литров крови в день. Миллионы микроскопических сит (нефронов) очищают каждую каплю крови тридцать раз в день, пропуская через себя соли и другие молекулы, чтобы устранить вредные вещества и сохранить полезные. И все же люди по-прежнему будут тратить несметные деньги и время (в основном без пользы для себя) на причудливые «чистки», обещающие избавить их организм от токсинов. Большинство из этих продуктов просто создают почкам больше работы по очистке (серьезно: прекратите это). Эти органы также выполняют важную метаболическую задачу, называемую глюконеогенезом, превращая лактат, глицерин (из жира) и аминокислоты (из белков) в глюкозу (Рис. 2.1). Вся эта работа требует много энергии. Вместе ваши почки весят всего 200 г, но сжигают около 140 ккал в день, что составляет 9 % от СОО.

Печень

Печень – это невоспетый герой. Эта метаболическая фабрика весом всего 1,5 кг участвует почти во всех процессах жизнеобеспечения, показанных на Рис. 2.1. Она является главным хранилищем гликогена и выполняет большую часть работы по преобразованию глюкозы в гликоген и обратно. Именно этот орган превращает фруктозу в жир для хранения или в сжигаемую форму глюкозы. Печень расщепляет неиспользуемые хиломикроны и сохраняет жир или переупаковывает его в другие липопротеиновые контейнеры (включая липопротеины низкой плотности – ЛПНП, и липопротеины высокой плотности – ЛПВП). Она является центром глюконеогенеза, превращая жиры и аминокислоты в глюкозу, когда это необходимо, а азотсодержащую головку аминокислот – в мочевину, чтобы выделять ее с мочой. Печень является основным местом кетогенеза. О, и она также расщепляет большое количество токсинов, от алкоголя до мышьяка (но вы все равно должны обязательно попробовать очищение грейпфрутом и кленовым сиропом…). Вся эта непрерывная метаболическая работа сжигает около 300 ккал в день, что составляет 20 % от СОО.

Желудочно-кишечный тракт

Если так подумать, то мы, люди, как и любое другое животное с отчетливым ртом и задницей, на самом деле просто сложные трубки. И эта трубка – желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), который проходит от рта к желудку, а затем через тонкий и толстый кишечник к анусу. Это перерабатывающий завод для переваривания пищи и превращения ее в питательные вещества, как мы обсуждали в Главе 2. Желудочно-кишечный тракт человека весит около 1,1 кг и сжигает 12 ккал в час, и это только в состоянии покоя на пустой желудок. Процесс пищеварения затрачивает гораздо больше энергии – около 10 % от ежедневных потребляемых калорий, или 250–300 ккал в день для обычного взрослого человека. Неясно, сколько энергии, расходуемой кишечником, приходится на триллионы бактерий, трудящихся в нашей микробиоте. Недавнее исследование на мышах, проведенное Сарой Бар, Джоном Кирби и его коллегами, предполагает, что калории, сжигаемые микробиотой, могут составлять до 16 % СОО у людей, что означает, что расход энергии ЖКТ в состоянии покоя (около 12 ккал в час) почти полностью относится к кишечным бактериям. Необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, верна ли эта оценка, но она дает некоторое представление о ежедневном количестве энергии, затрачиваемой нашими друзьями-бактериями.

Мозг

Мозг и печень разделяют титул самого энергозатратного органа. Первый весит от 1 до 2 кг, но сжигает около 300 ккал в день, что составляет 20 % от СОО. Именно по причине таких высоких затрат большой мозг так редко встречается у животных. Только в редких случаях эволюция предпочитает направлять тонны энергии в большой мозг вместо непосредственно выживания и размножения. Кроме того, мозг – это самая настоящая примадонна, которая требует особого обращения. Он работает почти полностью на глюкозе (но может сжечь кетоны в крайнем случае). Нейроны, клетки серого вещества, которые отвечают за мышление и контроль всех систем организма, посылая и получая сигналы, мало занимаются мозгом. Вместо этого глиальные клетки (белое вещество), которые превосходят нейроны по количеству почти в 10 раз, выполняют большую часть вспомогательной работы, обеспечивая питательными веществами и выводя отходы.

Большая часть работы, которую выполняет мозг, лежит полностью вне нашего сознательного опыта. Этот орган непрерывно занят отправкой и получением сигналов для регулирования и координации всех аспектов жизни, от температуры тела до размножения. Мышление составляет ничтожную долю его задач, и, следовательно, затраты на него невелики. Исследования, измеряющие расход энергии до и во время умственной деятельности, обнаружили лишь незначительное влияние на обмен веществ. Когда опытный шахматист играет с превосходящим противником (компьютерной программой) и занят сложной мыслительной задачей, скорость его метаболизма увеличивается всего лишь на 4 ккал в час, что эквивалентно энергии одного драже M&M’s.

В то время как мыслительный процесс не очень энергозатратный, обучение, наоборот, обходится «дороже». Нейроны с их извилистыми дендритами и аксонами, вытянутыми подобно ветвям дерева, образуют связи (называемые синапсами) с другими клетками, чтобы создать новые нейронные сети. Мозг формирует, укрепляет и сокращает синапсы на протяжении всей жизни (это происходит прямо сейчас, когда вы формируете новые воспоминания при прочтении этой книги). Однако самый активный период – это детство, когда мы как губки впитываем всю новую информацию об окружающем мире. Работа Кристофера Кузавы и его коллег показала, что у детей в возрасте от трех до семи лет на мозг приходится более 60 % СОО, что в три раза больше, чем у взрослых. В эти ранние критически важные годы в орган поступает так много энергии, что она фактически замедляет рост остальных частей тела.

За пределами основного обмена

С учетом того, что все органы работают круглыми суткам, неудивительно, что основной обмен составляет большую часть калорий, которые вы сжигаете каждый день. А это около 60 % для большинства из нас. Тем не менее это всего лишь минимальный расход – энергия, затраченная во время отдыха. Конечно, жизнь редко бывает комфортной и спокойной. Мы родились не для того, чтобы целыми днями валяться в постели. Наши тела созданы для того, чтобы вести активный образ жизни, бороться с инфекциями, жарой и холодом, расти и иметь детей.

Терморегуляция

Благодаря эволюции у млекопитающих и птиц теплые тела. Мы сжигаем намного больше энергии каждый день, чем рептилии, рыбы и другие холоднокровные животные, и этот ускоренный обмен веществ позволяет нам расти и размножаться быстрее (см. ниже). Но есть одна загвоздка: сложная метаболическая система химических реакций, которая поддерживает в нас жизнь, должна находиться в узком диапазоне температур. Если температура тела отклоняется от нормы (37 °C) всего на несколько градусов, мы можем умереть.

У всех птиц и млекопитающих есть своя термонейтральная зона – диапазон температур окружающей среды, в которой температура тела поддерживается без каких-либо усилий. Для людей она находится примерно между 24 °C и 34 °C. Если вам кажется, что это много, то только потому, что вы, вероятно, не очень часто ходите обнаженными. В деловой одежде (рубашка на пуговицах, брюки, пиджак) этот показатель понижается и составляет между 18 °C и 24 °C. Наверное, именно такую температуру вы поддерживаете в своем доме. Люди являются мастерами создания комфортной микросреды рядом с кожей, используя одежду. Наша естественная теплоизоляция, жир, также может сдвинуть термонейтральную зону. Для взрослых, страдающих ожирением, этот диапазон на пару градусов ниже, чем у людей без избыточного веса. Когда мы замерзаем, у тела есть два способа генерировать больше тепла. Во-первых, можно сжигать особый тип жира, называемый бурым, который составляет крошечную долю жира в теле. Он создает тепло, изменяя систему переноса электронов в своих митохондриях: протоны, изолированные в межмембранном пространстве, могут просачиваться обратно через мембрану, не производя АТФ. Энергия, которая была бы захвачена в АТФ, выделяется в виде тепла. У людей в Арктике, как правило, примерно на 10 % более высокая скорость основного обмена, чем у тех, кто живет в теплом климате, что, вероятно, частично связано с активностью бурого жира. Второй способ получения тепла – это дрожание, которое является просто непроизвольным сокращением мышц. Несильные воздействия, такие как пребывание в шортах и футболке в комнате с температурой 18 °C, могут ускорить метаболизм на 25 % в сравнении с обычным показателем СОО (это дополнительные 16 ккал в час для большинства из нас). При сильном холоде дрожь может привести к тому, что обмен веществ в состоянии покоя ускорится в три раза, а это гораздо больший эффект, чем при сжигании бурого жира.

Метаболическая система химических реакций в организме человека очень сложна и должна находиться в узком диапазоне температур.

Перегревание также может привести к летальному исходу. Люди эволюционировали, чтобы справиться с жарой, став самыми потными животными на планете. Однако энергетические затраты на потоотделение не были тщательно измерены. Скорее всего, они очень маленькие. Главное при борьбе с жарой, по-видимому, – поддерживать оптимальный уровень жидкости в организме и избегать теплового удара.

Иммунная функция

Как ясно показала всем нам пандемия COVID-19, мир полон опасных патогенов. Но легкий доступ к эффективной медицинской помощи – один из триумфов цивилизации – привел к своего рода культурной амнезии. Мы склонны забывать, насколько страшны инфекционные болезни. В племени хадза 4 из 10 детей умирают от острых инфекций еще до пятнадцатилетия. Такие же мрачные показатели и в других обществах охотников и собирателей. Родители в развитых странах, имеющие наглость отказывать своим детям в лекарствах и вакцинах, должны поговорить с некоторыми матерями хадза.

Наш организм постоянно атакуют бактерии, вирусы и паразиты, которые жаждут попасть внутрь и использовать его как бордель. В грязном органическом мире за пределами наших стен, вдали от сантехники и дезинфекции, болезни неизбежны. У меня есть приятель, который работает в глубоких тропических лесах Индонезии и изучает там орангутангов и гиббонов. Вдохновленный наблюдателями за птицами, ведущими учет всех видов, которые они видели за годы работы, он создал список всех тропических болезней, которыми когда-либо болел. И это перечень совсем не короткий. После возвращения с полевых выездов он неизбежно пропивает курс «Фрагила»[24]24
  Антибактериальный, противопаразитарный препарат, действующее вещество – метронидазол. – Прим. науч. ред.


[Закрыть], чтобы убить всех микробов, которые заполонили его кишечник. Принимая препарат, нельзя употреблять алкоголь. А это для моего приятеля – самая неприятная часть возвращения из тропических лесов.

Для того, чтобы побороть инфекцию, клетки иммунной системы размножаются и производят широкий спектр молекул. Вся эта метаболическая работа сжигает калории. Исследование двадцати пяти американских студентов, обратившихся в поликлинику, показало, что во время заболевания скорость основного обмена у них была в среднем на 8 % выше, чем обычно. Примечательно, что из эксперимента исключали мужчин, у которых была лихорадка. Повышение температуры тела при борьбе с инфекцией – древняя защитная реакция всех млекопитающих – еще больше увеличивает этот показатель.

Майкл Гурвен и его коллеги, работающие с жителями сельских районов Боливии, измерили ежедневные затраты на иммунную защиту в тех популяциях, у которых нет доступа к антисептическим преимуществам современного мира. Племя цимане живет в маленьких отдаленных деревушках в тропических лесах Амазонки. Они ведут многоукладное хозяйство: охотятся и собирают дикорастущую пищу, а также выращивают бананы, рис, маниок или кукурузу вручную. Некоторые представители племени, которые живут ближе к городам, зарабатывают деньги ручным трудом. Все они постоянно находятся на открытом воздухе в лесу и у реки, взаимодействуют с природным миром и множеством бактерий, вирусов и паразитов, которые так и норовят найти себе хозяина. Неудивительно, что уровень заболеваемости очень высок. Около 70 % населения имеет паразитарную инфекцию (обычно глисты), и количество лейкоцитов (клеток иммунной системы, используемых организмом для борьбы с инфекцией) у них в десять раз больше, чем у взрослых американцев. Вся эта деятельность иммунной системы требует энергии. Скорость основного обмена взрослых членов племени цимане на 250–350 ккал в день выше, чем у представителей промышленно развитых стран.

Чрезмерные энергетические затраты на борьбу с инфекцией могут иметь серьезные последствия для роста детей. Сэм Урлахер, молодой доктор наук в моей лаборатории в Дьюкском университете, на протяжении многих лет работал с детьми племени хиваро, проживающем в Эквадоре. Их повседневность очень похожа на жизнь цимане: охота, собирательство и простое земледелие в тропических лесах Амазонки. В обоих племенах наблюдается высокий уровень заболеваемости. Сэм обнаружил, что у детей от пяти до двенадцати лет скорость основного обмена примерно на 200 ккал в день выше, чем у детей в США и Европе – различие примерно на 20 %. И потребность организма в энергии для борьбы с инфекцией буквально крадет силы, которые иначе пошли бы на рост. Когда иммунная система реагирует на патоген, она производит ряд молекул (иммуноглобулины, антитела и другие белки), которые циркулируют в крови – предательские признаки сражений с бактериями, вирусами и паразитами. Сэм обнаружил, что дети хиваро, у которых к крови было обнаружено большее количество этих маркеров, росли медленнее, чем те, у кого их было меньше. Энергетическая «стоимость» иммунитета, с точки зрения калорий и роста, вероятно, является одной из главных причин того, что представители коренных народов, таких как хиваро, цимане и хадза, как правило, недоразвиты.

Рост и воспроизводство

Фундаментальный закон природы гласит: масса и энергия не могут быть созданы или уничтожены, а только перемещены и преобразованы из одной формы в другую. Создание человека ничем не отличается: будь то мать, вынашивающая ребенка, или растущие дети – рост требует пищи и энергии. Точнее, энергетическое содержание новой ткани должно быть равно энергетическому содержанию питательных веществ, используемых для ее построения. Так сколько же «стоит» килограмм массы тела?

Организм человека построен из белков, жиров и углеводов – тех же макронутриентов, которые мы едим. Энергетическая ценность этих строительных блоков такая же, как и в пище: 4 ккал на грамм углеводов (как гликоген) или белков (как мышцы), 9 ккал на грамм жиров (см. Главу 2). Живая ткань также включает большое количество воды (около 65 %), которая не содержит калорий. По мере того как дети растут, содержание энергии в новой ткани, которая представляет собой смесь примерно 75 % мышц и 25 % жира, достигает около 3300 на кг. К этому мы должны добавить энергию, затрачиваемую для выполнения работы по усвоению питательных веществ из пищи и превращения их в ткани, что составляет около 1500 ккал на кг. «Стоимость» роста, таким образом, составляет около 4800 ккал за кг.

Создание новых тканей тоже требует энергии. Добавление более высокой доли жира «стоит» дороже, а мышц – дешевле, потому что содержание энергии в жире превышает количество калорий в белке более чем в два раза. Один из способов увидеть эту разницу – посмотреть на энергию, сжигаемую при похудении, – зеркальное отражение роста. Энергия, которую мы тратим на похудение, должна быть равна этому показателю в ткани, которая была потеряна. Поскольку ткани, которые мы теряем во время похудения, в основном состоят из жира, можно вывести такое общее правило: чтобы сбросить один килограмм веса, требуется сжечь около 7700 ккал.

Масса и энергия не могут быть созданы или уничтожены, а только перемещены и преобразованы из одной формы в другую.

Для матерей затраты на рост составляют лишь часть расхода на беременность и кормление грудью. Новорожденный ребенок весит в среднем 3–3,5 кг. И, чтобы вырастить такого его в утробе, матери нужно сжечь примерно 17 000 ккал. Но к этому также нужно добавить и энергетические затраты на вес женщины во время беременности (типичный прирост массы тела составляет около 10–13 кг). К тому же нельзя забывать о том, что у матерей есть ежедневные метаболические затраты на поддержание всей этой новой ткани – плода и своей собственной. Именно поэтому общая энергетическая «стоимость» здоровой девятимесячной беременности составляет около 80 000 ккал. Это на 27 % больше энергии, чем обычная женщина племени хадза тратит на ходьбу в течение года.

Уход за ребенком обходится еще дороже. Производство молока для матерей, чьи дети находятся исключительно на грудном вскармливании (никаких других продуктов питания), «стоит» около 500 ккал в день, а в год – 180 000 ккал – больше, чем пеший туризм по Аппалачской тропе. Часть этой энергии поступает из жировых запасов, накопленных во время беременности (7700 ккал на каждый потерянный килограмм). И, как и во время вынашивания плода, большая часть ее питает основной обмен ребенка, а меньшая идет на рост новых тканей.