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

То, что начиналось как невинный проект измерения затрат энергии на ходьбу и бег у людей, собак и коз, выросло в своего рода профессиональную одержимость этим показателем. Вскоре я отправился в Калифорнию, где в то время проводили эксперимент по измерению количества энергии, затрачиваемой шимпанзе при ходьбе на двух или четырех лапах. Затем – исследования людей, бегущих со скрещенными на груди руками. Мы пытались понять энергетическое преимущество размахивания руками (оно крошечное). Дейв Райхлен, Брайан Вуд и я провели лето 2010 и 2015 годов в племени хадза. У нас была портативная метаболическая лаборатория, благодаря которой мы могли измерять энергетические затраты охотников и собирателей во время ходьбы, лазания по деревьям, рубки пчелиных гнезд и выкапывания клубней. В прошлом году я также работал с Масахиро Хориути и его коллегами в Японии, чтобы рассчитать энергию, потребляемую с каждым вдохом и ударом сердца.

Вы можете подумать, что такие странные интересы делают меня чужаком, может быть, даже изгоем. Но в университетах по всему миру есть лаборатории, занимающиеся измерением энергетических затрат. Это яркая, хотя и эклектичная область на стыке биологии и медицины. По этой теме ежегодно проводятся конференции. Но если я скажу, что не одинок в своей одержимости, то это будет выглядеть еще более странным. Зачем кому-то посвящать свою карьеру измерению того, во сколько энергии что обойдется?

В экономике жизни калории – это валюта. Ресурсы всегда ограничены, и энергию, потраченную на одну задачу, нельзя израсходовать на другую. Эволюция – это бессердечный бухгалтер: единственное, что имеет значение в конце жизни, – это сколько выживших потомков осталось. Организмы, которые сжигают калории неразумно, в глазах естественного отбора будут размножаться меньше. Следующее поколение будет состоять из потомства от осторожных родителей, которые владеют стратегическим планированием, – тех, кто лучше всего добывал энергию и распределял эти калории наиболее эффективно. Поскольку физиология и поведенческие тенденции передаются по наследству, эти дети будут склонны сжигать калории, как их родители. Это новое поколение снова вступает в игру, но в этом раунде более жесткая конкуренция. Наименее эффективные конкуренты отсеиваются. На протяжении эонов[21] организмы, оставшиеся в живых, – это те, у кого есть тонко настроенные стратегии получения и расходования калорий. Каждый вид представляет собой определенную метаболическую стратегию, откалиброванную в соответствии с его средой обитания. Последний ход в этой бесконечной игре жизни.

Хотите узнать, как эволюция сформировала физиологию вида? Желаете понять, как различные задачи распределяются по приоритетам или сортируются в трудные времена? Следите за калориями.

На плечах гигантов

Ничто не могло быть более очевидным, чем потребность в еде и дыхании, однако все равно нужно было много времени, чтобы создать науку о метаболизме. Понимание и формулирование каждой детали, которую мы рассмотрели в Главе 2, слова и стрелки на рисунке 2.1, заняли у кого-то – или, чаще, у нескольких человек – годы.

Эта наука появилась более двух столетий назад.

Первые прорывы в понимании метаболизма произошли в середине и конце XVIII века, когда исследователи в Европе и Америке открыли роль кислорода и пищи. Ученые той эпохи, как и все остальные с незапамятных времен, знали, что люди и другие животные должны есть и дышать, чтобы выжить. Исследователи даже установили связь между огнем и обменом веществ, признав, что тела людей и других млекопитающих вырабатывают тепло. Однако детали до сих пор были достаточно размытыми. Никто не знал, что именно из воздуха нам нужно или как организм использует пищу. Ничего из того, о чем мы говорили во второй главе, еще не было известно.

Не помогло и то, что ранние исследования обмена веществ проводились на основе ретроградных взглядов о строении мира. Когда началась эпоха Просвещения и в XVII веке начала зарождаться современная западная наука, сложилось следующее общее мнение: мы не получаем ничего важного из воздуха. Вместо этого ученые полагали, что тепло тела (а также жар от огня) представляет собой субстанцию (они называли ее флогистоном), которая испаряется. Считалось, что флогистон был основной составляющей всех горючих веществ, которая делала их огнеопасными, высвобождаясь при горении. Воздух поглощал флогистон, но вмещал его не так уж много. Вот почему свеча гаснет, когда на нее ставят сосуд: как только воздух внутри насыщается флогистоном, он больше не может высвобождаться, и огонь затухает.

Кислород был открыт химиком Джозефом Пристли только в 1774 году. Он называл его дефлогистированным воздухом, полагая, что это очищенная форма воздуха, без флогистона. Пристли представил это вещество коллеге, химику Антуану Лавуазье, во время визита в Париж. Они оба были очарованы процессом горения. Лавуазье, которого многие считали отцом современной химии, отверг идею о том, что воздух Пристли был дефлогистирован. Вместо этого ученый утверждал, что газ является самостоятельным веществом, и назвал его кислородом, или кислотообразующим веществом, за его склонность к краже электронов и окислению (те же свойства, которые делают его столь важным в цепи переноса электронов). Химик первым понял, что для горения нужен кислород. У него было предчувствие, что в живых организмах происходит то же самое.

В 1782 году Лавуазье и Пьер-Симон Лаплас провели гениальный эксперимент, который привел к фундаментальному прорыву в науке о метаболизме. Они поместили морскую свинку в небольшой металлический контейнер и поставили его (с закрытой крышкой, но с отверстиями для дыхания) в большое ведро, частично заполненное льдом. Затем они положили лед по бокам и сверху контейнера, в котором сидела свинка, и открыли слив в нижней части ведра. Определив объем воды, которая вытекала из ведра, они смогли измерить тепло, выделяемое морской свинкой. Лавуазье и Лаплас вычислили соотношение сожженных калорий к количеству CO2, которое вырабатывал грызун, и обнаружили, что тепло, выделяемое свинкой, было равно теплу сжигания дерева или воска от свечи. Лавуазье заключил: «la respiration est donc une combustion» (фр. дыхание – это горение). Это, по существу, означает следующее: метаболизм – это горение.

Представьте себе, что бы обнаружил Лавуазье, если бы его не обезглавили на гильотине во время Французской революции спустя всего пару лет.

Потребовались десятилетия кропотливых экспериментов, показавших, что тепло, выделяемое при сжигании пищи на огне, точно такое же, как и при процессах в организме, и что количество потребляемого кислорода и производимого углекислого газа также одинаково. Установив эти фундаментальные правила, ученые получили два общих подхода к определению расхода энергии: они могли измерять произведенное тепло (называемое прямой калориметрией) или потребление кислорода и производство углекислого газа (называемое косвенной калориметрией). С практической точки зрения, это намного проще, чем измерение тепла. Таким образом, к концу XIX века пионеры в новых областях питания и метаболизма использовали потребление O2 и производство CO2 в качестве основного показателя количества калорий, сжигаемых людьми и животными.

Перенесемся еще на сто лет вперед. Тот же самый подход к определению количества энергии я использовал, измеряя показатели собаки по имени Оскар в двух состояниях: когда он шел и бежал по дорожке. Как вы можете видеть на рисунке 2.1, при сжигании углеводов, жиров и белков потребляется O2 и производится CO2. Измерение потребления кислорода и углекислого газа является стандартным подходом для определения сожженных калорий. O2 и СO2 сами по себе не являются энергией, но настолько тесно связаны с выработкой АТФ и ее расходованием, что выступают надежными и точными показателями работы метаболизма.

Теперь перейдем к тому, что написано мелким шрифтом. Так как O2 и CO2 являются косвенными показателями расхода энергии, есть некоторые важные детали, которые необходимо учитывать при измерении метаболизма с учетом эти показателей. Во-первых, прежде чем организм достигнет устойчивого показателя потребления кислорода и производства углекислого газа, необходимо хотя бы несколько минут активности. Как вам уже известно, если вы регулярно тренируетесь, то дыхание и частота сердечных сокращений не достигают своего среднего ритма, пока вы не будете заниматься этим некоторое время. Короткие всплески активности, такие как бег или поднятие штанги, не длятся достаточно долго, чтобы дать устойчивые показатели, и зависят от анаэробного метаболизма, для которого не нужен кислород, а это затрудняет процесс измерения. Кроме того, количество энергии, расходуемой для потребляемого кислорода или производимого углекислого газа, немного меняется в зависимости от того, сжигаете ли вы больше углеводов, белков или жиров. Удобно, что количество последних можно рассчитать из отношения потребления O2 к производству CO2 (называемого дыхательным обменным коэффициентом, или дыхательным коэффициентом), чтобы определить точный расход энергии.

Несмотря на эти трудности, исследователи изучили энергетические затраты, необходимые для ошеломляющего разнообразия человеческой деятельности. И именно с этими показателями вы сталкиваетесь, когда пользуетесь фитнес-оборудованием и онлайн-калькулятором, которые показывают, сколько калорий вы сожгли. Крутите ли вы педали на велотренажере, пользуетесь умными часами или выбиваетесь из сил во время тренировки – показатель количества сжигаемых калорий основан на измерениях потребления O2 и производства CO2 в какой-то тестовой группе, трудящейся в лаборатории. По крайней мере, это то, на чем должны основываться цифры. Нет никакой метаболической полиции, которая проверяет, обманывают ли нас компании-производители этих устройств или разработчики приложений.

Часто энергетические затраты выражаются в метаболических эквивалентах (MET). Один MET определяется как 1 килокалория на килограмм массы тела в час, грубо говоря, затраты энергии во время отдыха. Существует так называемый «Компендиум физической активности». Он составляется с 1993 года Барбарой Эйнсворт и ее командой и считается авторитетным источником, к которому можно обратиться за тем, чтобы узнать об энергозатратности конкретной деятельности. В нем описаны показания для более чем восьмисот видов активности, от повседневных (печатание на машинке или компьютере, 1,3 MET) до неожиданных (рыбалка с копьем стоя, 2,3 MET) и от любопытно неопределенных (сексуальная активность, общие умеренные усилия, 1,8 MET) до обескураживающе специфических (ходьба задом наперед, со скоростью 5,5 км/час, подъем в гору, 5-ти процентный наклон, 6,0 MET). Я перечислил некоторые общие виды деятельности и их энергозатратность в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Энергетические затраты при разных видах активности

Передвижение: затраты на ходьбу, бег, плавание и езду на велосипеде

7:45 утра. Иду пешком.

Еще не было и восьми утра, а солнце уже припекало. Прохладное утро в Хадзалэнде превратилось в еще один невероятно жаркий день. Я тогда был с женщинами племени – мы пошли на ежедневную вылазку в поисках еды. В тот день мы собирали ягоды конголоби: твердые шарики размером с горошину, почти сплошь состоящие из семечка, только с тонкой оболочкой из сладкой мякоти.

Мы покинули лагерь, когда не было еще и семи утра. Я и женщины шли в свободной колонне около получаса по едва заметной колее, проделанной вдоль дороги случайным ровером или пикапом. Тропа поднималась от равнин восточного края озера Эяси и через скалистые холмы Тлиика – это был самых короткий путь к деревне Доманга для редкого путешественника. Грузовик проезжал здесь раз в несколько недель – ровно столько, чтобы золотистая трава и выносливый кустарник не стерли его следы. Когда тропа петляла по вершинам холмов Тлиика, изгиб проходил мимо лагеря Сенгели, и хадза, жившие там, часто использовали ее как дорогу домой и обратно.

7:50 утра. Иду пешком.

Мы шли по бескрайнему золотистому океану сухой травы, мимо акаций, высоких баобабов и высохших кустов. Наконец мы добрались до зарослей кустарника конголоби, и женщины распределились по территории. Они ловко срывали пригоршни ягод с тонких стеблей и запихивали их в конги. Конги, разноцветные прямоугольники тонкой ткани размером с пляжное полотенце, были завязаны на плечах, как сумки, образуя глубокий карман, который свисал с бедра. В тот день я должен был следить за Миле, шестидесятипятилетней женщиной, которая совершала утреннюю вылазку за ягодами. Она позволила мне сопровождать ее и делать заметки – главное, чтобы я постарался не мешать и не был слишком назойливым.

Эти фокусные наблюдения, как их называют, являются хлебом с маслом антропологии: ежедневные данные, накопленные с течением времени, могут воссоздать детальный портрет жизни в конкретном сообществе. Фокус в том, чтобы быть ненавязчивым – не вмешиваться в привычную деятельность тех, за кем вы наблюдаете. Возня с тетрадями или падение от теплового удара считаются нежелательными. Я в хорошей форме, у меня в рюкзаке была бутылка воды и батончик мюсли; я не беспокоился об этом. И я вел записи, следуя инструкциям Брайана Вуда, который проделал десятки таких процедур и является настоящим антропологом: я держал диктофон в правой руке и каждые пять минут шепотом сообщал, что Миле делала в этот момент.

7:55 утра. Иду пешком.

Единственной проблемой было мое растущее беспокойство. Мало того, что я бесшумно слонялся вокруг, наблюдая за всеми, как смотрительница на выпускном балу в католической школе, так еще и говорил в микрофон каждые пять минут, как самый нелепый шпион в мире. Чем тише я старался быть, тем нелепее мне казалось, что я шепчу что-то в маленькую черную коробочку в бескрайней пустоте африканской саванны. И почти всегда я сообщал одно и то же: иду пешком.

Быть членом племени хадза – значит много ходить. И ходить. И ходить. Каждый день. Женщина проходит в среднем 8 км в день, мужчина – около 13,5. Женщина возраста Миле прошла за свою жизнь более 160 000 км – достаточно, чтобы обогнуть земной шар четыре раза. Мужчина, достигший семидесяти лет, может преодолеть расстояние в 384 000 км – этого хватить, чтобы дойти до Луны.

8:00 утра. Иду пешком.

Когда через несколько часов мы наконец вернулись в лагерь, Брайан спросил меня, как прошло наблюдение. Я сказал ему, что было здорово. Все прошло хорошо. Не было проблем. Я был слишком смущен, чтобы упомянуть о том, как я, возможно, всех раздражал, расхаживая кругом и делая заметки. Конечно, как взрослый человек и антрополог я показал себя не с самой лучшей стороны. Мы с Брайаном дружили еще в Гарварде, когда учились в аспирантуре, и, хотя оба проходили обучение на факультете антропологии, у нас была совершенно разная подготовка. Пока я был на полевой станции, заставляя собак и коз ходить по беговой дорожке и изу чая физиологию метаболизма, Брайан жил в племени хадза и занимался настоящей антропологической полевой работой – он был ответственным за фокусные наблюдения и интервью и изучал, как они собирают еду. Теперь, много лет спустя, в самый разгар нашего исследования охотников и собирателей, я отчаянно старался не быть слабым звеном. Мне не хотелось признаваться, что я чувствую себя глупо, записывая все на диктофон. Серьезный, преданный своему делу антрополог не позволил бы чему-то сродни тщеславию помещать выполнению работы.

Однако позже, за ужином, когда Брайан, Дэйв Райхлен и я обсуждали события дня и строили планы на следующий, я все рассказал. «Это было немного… странно, – сказал я, – каждые пять минут я записывал на диктофон, что просто иду, словно какой-нибудь сумасшедший, потерявшийся на Пенсильванском вокзале и кричащий в разрядившийся телефон».

«Да… это было вовсе не обязательно», – сказал Брайан.

Что?! Отсутствие записи происходящего с точными пятиминутными интервалами казалось серьезным нарушением Кодекса наблюдений антропологов, если таковой вообще существовал. Правило № 1: делать заметки каждые 5 минут. Правило № 2: не умирать (это может подпортить эксперимент). Правило № 3: см. Правило № 1.

Брайан рассказал мне, как он с этим справился: если в записях была пропущена дежурная фраза о том, чем занимается племя хадза, то смело можно предположить, что с прошлого периода ничего не изменилось. Ходьба была обычным делом, как и дыхание. Конечно, было важно регистрировать и эту активность, но гораздо полезнее было замечать остановки. Брайан был опытным полевым исследователем, для него такая логика была очевидной.

«Если ты находишься в племени хадза, то ты всегда идешь».

Ходьба является настолько важной частью их жизни, что, когда мы с Дэйвом и Брайаном занялись проектом Hadza energetics в 2009 году, первым объектом нашего исследования была именно она. Во время первого полевого эксперимента мы измеряли общие ежедневные затраты энергии с помощью метода дважды меченой воды и даже привезли с собой портативную респирометрическую систему. Конечно, оборудование стоило в два раза дороже моей Honda Civic, но оно поместилось в портфель и помогло нам проделать невероятную работу по измерению потребления кислорода и производства углекислого газа. Участники испытания надевали на нос и рот легкую пластиковую маску, похожую на кислородные маски в больницах. У нее была тонкая трубка, которая шла к сенсорному блоку, размером с толстый роман в мягкой обложке, прикрепленный к нагрудному ремню. Это была крошечная метаболическая лаборатория.

Рис. 3.1. Прогулка пешком. Работать и жить в племени хадза означает постоянно быть на ногах и проходить много километров пешком. На этой фотографии вы видите, как мы следовали за двумя членами племени, выслеживающими импалу, подстреленную два часа назад. Несмотря на все усилия, отпечатки копыт и пятна засохшей крови, антилопу так и не нашли.

Мы расчистили ровную пешеходную дорожку вокруг лагеря для испытаний. Мужчины и женщины хадза шли в течение примерно пяти-семи минут с постоянной скоростью, в то время как маска и сенсорное устройство рассчитывали скорость расхода энергии (килокалорий в минуту) из измерений потребления кислорода и производства углекислого газа. Мы обнаружили, что они тратят на ходьбу столько же энергии, сколько и все остальные:

Энергетические затраты на ходьбу (ккал на км) = 0,49 × вес (кг)

Это уравнение взято из большого метаанализа Джонаса Рубенсона и его коллег, объединяющего данные двадцати различных исследований. Информация, полученная нами благодаря изучению племени хадза, полностью совпадала с результатами выборки ученого. Видимо, жизнь, проведенная на ходу, не делает человека более эффективным в ходьбе.

Используя уравнение для расчёта затрачиваемой энергии, вы обнаружите, что 70-килограммовый человек сжигает 34 килокалории, чтобы пройти один километр (0,49 × 70 = 34). Более миниатюрный человек при весе 45 кг сжигал бы 22 ккал. (Это затраты, превышающие нужные для отдыха, которые мы обсудим ниже.) Если мы хотим учесть усилие, затрачиваемое на ношение рюкзака или ребенка, то просто добавляем вес этих предметов к показателю массы тела, прежде чем умножить его на 0,49. Таким образом, если человек весом 82 кг наденет 9-килограммовый рюкзак, то он будет сжигать 44 ккал за один километр.

Бег обходится дороже, чем ходьба. В той же работе Рубенсон и его коллеги проанализировали данные двадцати трех исследований расхода энергии на бег и обнаружили, что энергозатраты росли с увеличением веса.

Энергетические затраты на бег (ккал на км) = 0,95 × вес (кг)

Получается, что 70-килограммовый человек, пробежавший километр, сожжет 66 ккал (0,95 × 70 = 66). И поскольку 70 кг – это типичный вес для взрослого человека, то мы можем смело предположить, что ходьба требует 34 ккал за км, а бег – 66 ккал. Бег «стоит» вдвое дороже, чем ходьба, но все же далеко не так дорого, как плавание. В исследованиях профессиональных пловцов Паолы Зампаро, Карло Капелли и их коллег энергозатраты на плавание рассчитываются следующим образом:

Энергетические затраты на плавание (ккал на км) = 2,7 × вес (кг)

… что почти в три раза больше, чем при беге. Для сравнения, езда на велосипеде обходится гораздо «дешевле»:

Энергетические затраты при езде на велосипеде (ккал на км) = 0,15 × вес (кг)

И это всего 1/3 стоимости энергозатрат от обычной ходьбы. Затраты энергии на езду на велосипеде растут экспоненциально со скоростью, а также зависят от таких факторов, как ветер, дорожное покрытие, конструкция шин и давление (которые влияют на сопротивление). Как бы то ни было, экономичность велосипеда сильно отличается даже от самого экологичного автомобиля. Toyota Prius весом около 1300 кг сжигает 4 л бензина (32 500 ккал), чтобы проехать 100 км, а это означает, что его стоимость за кг (0,25 ккал за км) примерно на 60 % больше, чем путешествие на велосипеде.

Прежде чем закончит этот тур по путешествиям с человеческим двигателем, давайте посмотрим, сколько энергии мы тратим при восхождении. Будь вы членом племени хадза, взбирающимся на баобаб, чтобы собрать мед из улья, скалолазом на какой-нибудь альпийской скале или бухгалтером, поднимающимся по лестнице на работе, расход энергии во время восхождения увеличивается с весом тела следующим образом,

Восхождение (ккал на м) = 0,01 × вес (кг)

На первый взгляд энергетические затраты при восхождении могут показаться невысокими. Но обратите внимание, что, в отличие от энергетической «стоимости» ходьбы, бега, плавания и езды на велосипеде, это уравнение дает «стоимость» за каждый метр высоты; в других указана «цена» за километр. На самом деле восхождение на гору обходится примерно в тридцать шесть раз «дороже», чем ходьба пешком, и это, несомненно, самый «дорогой» вид передвижения для человека. Конечно, ходьба или бег вниз по склону менее затратны, чем путешествие по ровной местности, если спуск не настолько крут, чтобы было трудно идти. Удобно, что для холмов, с которыми мы обычно сталкиваемся на тропах и тротуарах (уклоны менее 10 %), дополнительные затраты на подъем в гору примерно такие же, как и экономия энергии при спуске. Затраты на подъем и спуск с холма обычно можно игнорировать, если его высота незначительна.

Рис. 3.2 энергетические затраты (ккал на кг массы тела) при передвижении. Слева приводится количество энергии, затраченной за пройденный км, справа – за час.

Влияние скорости, тренировки и техники

По своему опыту вы знаете, что чем быстрее ходите, бегаете, катаетесь на велосипеде, карабкаетесь или плаваете, тем тяжелее дышите и тем больше энергии сжигаете. А еще нам всегда кажется, что профессиональные спортсмены бьют рекорды без каких-либо усилий, в то время как мы, простые смертные, пыхтим и тяжело дышим. На самом деле скорость влияет на расход энергии двумя способами, но эффект не всегда совпадает с восприятием. А обучение и техника имеют гораздо меньшее значение, чем вы думаете.

Основной способ, которым скорость влияет на расход энергии, прост: чем быстрее мы двигаемся, тем быстрее мышцы должны выполнять работу и тем быстрее мы сжигаем калории. Если за один км мы тратим 100 ккал, то за 6 км мы сожжем 600 ккал (километр мы будем пробегать за 10 минут) или 1000 ккал за 10 км. Другими словами, скорость, с которой мы сжигаем энергию (ккал в минуту или ккал в час), будет увеличиваться непосредственно со скоростью. Увеличение энергозатрат в минуту при ходьбе, беге, плавании и езде на велосипеде показано на Рис. 3.2.

Описанное выше, вероятнее всего, укладывается в вашу картину мира: чем выше скорость, тем больше расход энергии. Однако есть один интересный факт: независимо от скорости, вы будете сжигать одинаковое количество калорий за километр. Это означает, что вы потратите такое же количество калорий как при пробежке на три км в своем темпе, так и при беге трусцой – просто это происходит быстрее (и заканчивается раньше) при увеличении скорости. Быстро бегать труднее, потому что усталость связана с тем, как усердно мы работаем (например количество калорий в минуту), а не только с общим количеством сожженных калорий. Мы обсудим выносливость и усталость в Главе 8. На данный момент достаточно знать, что «расход топлива» для бега не меняется со скоростью.

Это не относится к плаванию, ходьбе и езде на велосипеде. Для этих видов деятельности скорость влияет на наш расход «топлива» – энергию, сжигаемую на километр. Этот эффект отчетливо виден на Рис. 3.2, где показано соотношение между скоростью и энергией на км. Рассмотрим, например, ходьбу. Если человек весом 70 кг будет идти в своем обычном темпе около 4 км/час, то будет сжигать примерно 50 ккал за 1,5 км. Мы можем рассматривать это как оптимальную скорость, поскольку она требует наименьшего количества энергетических затрат на километр. При более быстрой ходьбе, со скоростью 6,5 км в час, вы будет сжигать примерно на 40 % больше энергии, то есть около 70 ккал на 1,5 км. При скорости около 8 км в час «стоимость» ходьбы превышает энергетические затраты при беге. На самом деле бежать с такой скоростью «дешевле», чем идти пешком.