Счетчик калорий

Палеоантрополог Герман Понцер разрушает мифы о том, как и почему сжигаются калории

Теплым октябрьским утром среды Герман Понцер надел смятый лабораторный халат, лицевую маску и направился в свою лабораторию в Университете Дьюка в надежде загрузить работой студентов. Бакалавр по имени Кристина дремала, положив голову в прозрачном капюшоне на лабораторный стол. Понцер кивком поздоровался с ней и, чтобы немного взбодрить, прибегнул к старому проверенному способу: устной математической задачке.

«Начни с числа 1022 и вычитай по 13 до тех пор, пока не дойдешь до 0», — сказал он во весь голос, чтобы собеседница его услышала, несмотря на шум работающего кондиционера.
«Ошибешься — начинаешь с начала. Готова?»
«1009, 997», — начала Кристина.
«Так, давай с начала», — откашлялся Понцер.
В ответ Кристина нервно усмехнулась и начала с начала. Она дошла до 889, когда Понцер вновь остановил ее. Так происходило из раза в раз. Затем Понцер попросил ее вслух умножить 505 на 117. Кристина уже изрядно нервничает, сжимая пальцы ног.

Постдок Зейн Суонсон и старшекурсница Габриэль Батлер отслеживают частоту сердечных сокращений Кристины и количество углекислого газа (CO2), который она выдыхает в капюшон. Затем Понцер задает ряд вопросов, призванных повысить уровень стресса у студентки: какой она видит свою работу мечты, и чем именно она собирается заниматься после выпуска.

Так проходят дни в лаборатории Понцера, где он со своими студентами проводит эксперименты по измерению количества энергии, которое тратится человеком в состоянии стресса, тренировки или при усилении иммунного ответа на вакцину и в прочих состояниях. Путем измерения количества CO2 в выдыхаемом Кристиной воздухе он определяет, сколько энергии она потратила в ходе подавления тревожности, вызванной математическими упражнениями.

Понцеру 44 года, и работа всей его жизни как физического антрополога — подсчет калорий. Дело не в том, что ему нужно похудеть: при росте 1,85 метра и весе около 75 килограммов (6 футов 1 дюйм и 165 фунтов соответственно), страстно увлекающийся бегом и скалолазанием, он, по словам одного онлайн-рецензента его книги 2021 года «Sapiens на диете. Всемирная история похудения, или Антропологический взгляд на метаболизм» (англ. Burn: New Research Blows the Lid Off How We Really Burn Calories, Lose Weight, and Stay Healthy), «чувак, попадающий в категорию “от худого до нормального”».

Понцер с удовольствием рассказывает о процессе снижения веса в «Шоу доктора Оз» и NPR (Программа радиопередач «Разговор со страной» Национального государственного радио в США, — прим. ред.) однако, как утверждает Понцер, истинной его задачей является понимание того, как людям, единственным среди всех человекообразных обезьян, все это удается с энергетической точки зрения: ведь у нас большой мозг, долгий период детства, долгая жизнь и может быть много детей. Энергетический баланс, необходимый для поддержания этих особенностей, включает в себя и некоторые компромиссы на метаболическом уровне, суть которых ученый и пытается разгадать. Как работает эта система поддержания равновесия между затратами энергии на процессы физических упражнений, размножение, в периоды стресса, болезней, а также на поддержание жизненно важных функций.

Заимствуя метод, который разработали физиологи, изучающие проблему ожирения, Понцер с соавт. проводят систематическое измерение общих суточных энергозатрат у животных и людей в различных условиях. Результаты их экспериментов часто неожиданны: упражнения вовсе не помогают сжигать в среднем больше калорий; активные охотники-собиратели в Африке ежедневно тратят энергии немногим больше, чем малоподвижные офисные работники в Иллинойсе; беременные женщины не сжигают больше калорий в день, чем другие взрослые (если провести перерасчет с поправкой на массу тела).

Как популяризатор науки Понцер может раздражать некоторых из своих коллег. Например, его заявление о том, что упражнения не помогут сбросить вес, «может быть выдернуто из контекста», как считает физиолог Джон Тайфолт из Медицинского центра Университета Канзаса. Он полагает, что такие высказывания могут подтолкнуть людей, сидящих на диете, отказаться от здоровых привычек.

Однако другие специалисты считают, что помимо развенчания мифов о расходе энергии человеком, работа Понцера предлагает новый взгляд на физиологию и эволюцию человека. Как он писал в своей книге Burn, «В экономике жизни валютой выступают калории».

Как отмечает палеоантрополог Лесли Айелло, в прошлом президент Фонда Веннера-Грена, который финансировал работу Понцера, она революционна. «Теперь появились данные… благодаря которым удается пересмотреть теории о том, как люди адаптировались к различным энергетическим ограничениям».

Будучи сыном школьных учителей английского языка, Понцер вырос среди 40 гектаров леса в Аппалачах недалеко от городка Керси (штат Пенсильвания). Отец, c которым Понцер вместе строил дом, привил сыну любопытство к устройству мира и к тому, как можно чинить неисправности. Понтцер вспоминает, что они никогда не вызывали сантехников или электриков: отец все мог починить самостоятельно.

Эти уроки самодостаточности и открытая жизненная позиция помогли ему справиться с потерей отца — тогда Понцеру было всего 15 лет. Старший двоюродный брат брал его с собой на скалолазание, что научило Понцера быть смелым и организованным. Эти навыки, как он вспоминает теперь, помогли ему пойти на интеллектуальный риск и бросить вызов устоявшимся теориям. «Когда у вас за плечами есть негативный опыт, а жизнь словно сбивает вас с пути, это пугает, — сообщает Понтцер. — Тем не менее, необходимо двигаться вперед, ведь само это движение научит не бояться новых событий и вызовов».

Понцер подал документы в единственное высшее учебное заведение — Университет штата Пенсильвания, чьи футбольные матчи остались яркими событиями его детства. Ученый вспоминает, что тогда он рассуждал так: «Я стану таким как отец: поступлю в Пенсильванский университет, получу диплом преподавателя и останусь в Керси». Но когда в Пенсильвании он начал работать с ныне покойным известным палеоантропологом Аланом Уокером, Понцер задумался о поступлении в аспирантуру по физической антропологии.

Узнав, что его многообещающий ученик подбирал научную школу, исходя из расположения относительно гор (Аппалачи — прим. перев.), Уокер высказался довольно прямолинейно: он заявил, что молодой человек совершит непростительную ошибку, если не подаст заявление в Гарвардский университет, а если Понцер поступит, то очень глупо будет не поехать (молодой Понцер тогда еще сомневался — прим. перев.).

И Понцер поехал. В начале 2000-х ученые мало что знали об общем расходе энергии у человека (ОРЭ) — количестве килокалорий (то, что значится под «калориями» на этикетках продуктов питания), которые сжигают 37 триллионов клеток человеческого организма за 24 часа. Исследователи измерили скорость, с которой наш организм способен тратить энергию в состоянии покоя — т. н. уровень базального метаболизма (УБМ). В это понятие включается та энергия, которая используется организмом для дыхания, кровообращения и других жизненно важных функций. Они выяснили, что УБМ с поправкой на размеры тела примерно одинаков у крупных млекопитающих. Таким образом, хотя в понятие УБМ включается только от 50 % до 70 % общего потребления энергии, исследователи подсчитали, что вне зависимости от массы тела, люди сжигают энергию примерно с той же скоростью, что и другие человекообразные обезьяны.

Но у людей есть орган, который потребляет дополнительные калории — наш большой мозг, на долю которого приходится 20 % суточных энергозатрат. Айелло предполагает, что развитие такого дорогого в энергетическом плане головного мозга скомпенсировалось уменьшением размеров кишечника и других органов. Другие авторы считают, что людям удалось сэкономить энергию именно благодаря переходу на более эффективное бипедальное передвижение (ходьбу и бег).

В Гарварде Понцер намеревался проверить эти идеи экспериментально. Однако он понял, что для этого не хватает данных: никому не было известно, сколько энергии расходуют приматы при передвижении, не говоря уже о том, как различия в строении тела или «анатомические компромиссы» [у людей] в плане размера органов влияют на потребление энергии. Понцер вспоминает, что он с коллегами тогда рассуждал о локомоторных адаптациях гоминид, об эффективности (энергетического обмена — прим. перев.), мощности и силе, развиваемых мускулатурой, однако все это было лишь гипотезами.

Он понял, что должен вернуться к истокам: подсчету потраченных людьми и животными калорий при ходьбе и беге на беговых дорожках. Млекопитающие используют кислород для преобразования сахаров из пищи в энергию, а CO2 при этом является побочным продуктом. Чем больше CO2 выдыхает млекопитающее, тем больше кислорода и калорий им сжигается.

Для своей кандидатской диссертации Понцер определил, какое количество CO2 выдыхают собаки и козы во время бега и ходьбы. Он обнаружил, например, что собаки с длинными ногами тратят меньше энергии на бег, чем корги, о чем он сообщил в одной из публикаций в 2007 году, вскоре после того, как нашел свою первую работу в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Со временем, сообщает ученый, то, что начиналось как нехитрая работа по измерению энергетических затрат на ходьбу и бег у людей, собак и коз, переросло в своего рода профессиональную одержимость измерением расхода энергии.

Понцер по-прежнему проводит измерения выдыхаемого CO2, чтобы получить число калорий, затраченных в ходе определенной деятельности, как это было в случае со стресс-тестом у Кристины. Однако он выяснил, что физиологи уже разработали иной, более надежный, способ измерения ОРЭ в течение дня: метод дважды меченой воды, по которому испытуемому не нужно весь день дышать в специальный капюшон (как Кристина в эксперименте).

Физиолог Дейл Шоллер, работающий в настоящее время в Висконсинском университете в Мэдисоне, адаптировал метод, впервые примененный на мышах, к людям. Люди пьют безопасную смесь меченной воды, в которой разные изотопы водорода и кислорода заменяют обычные формы этих элементов. Затем в течение одной недели исследователи несколько раз берут образцы мочи. Меченый водород выводится с мочой, потом и другими жидкостями, однако при сжигании калорий часть меченого кислорода выдыхается в виде CO2. Таким образом, отношение меченого кислорода к меченому водороду в моче служит мерой того, сколько кислорода клетки человека использовали в среднем за день и, следовательно, сколько калорий было сожжено. Этот метод является золотым стандартом для определения общего расхода энергии, однако его цена — 600 долларов за тест; большинству эволюционных биологов он не по карману.

Первый из череды прорывов с применением этого метода Понцер совершил в 2008 году, когда благодаря гранту в 20 000 долларов от Фонда Веннера-Грена ему удалось собрать образцы мочи в месте, которое в исследовательской среде именуется Great Ape Trust, — святая святых экспериментальных биологов в Айове. Там приматолог Роб Шумейкер поил изотопным чаем со льдом без сахара четырех орангутанов. Понцер беспокоился о том, чтобы собрать мочу взрослого животного, однако Шумейкер заверил его, что его обезьяны обучены мочиться в чашку.

Позже, той же осенью, когда Понцер получил результаты анализа мочи, он был крайне удивлен: орангутаны сжигали до трети от ожидаемого для млекопитающих с таким размером тела количества энергии. Повторный тест дал аналогичные результаты. К примеру, Ази, взрослый самец весом 113 кг, сжигал 2050 килокалорий в день, что меньше, чем 3300 ккал, которые обычно сжигает 113-килограммовый мужчина. Понцер был в полном недоумении. Он предположил, что, возможно, орангутаны были своего рода «ленивцами на генеалогическом древе обезьян», потому что в прошлом они сталкивались с длительным дефицитом пищи и их эволюция пошла в направлении выживания на меньшем количестве калорий в день.

Последующие исследования (с дважды меченой водой), проведенные на обезьянах в условиях неволи или в заповедниках, разрушили общепринятое представление о том, что все млекопитающие обладают одинаковой скоростью метаболизма, даже с учетом поправки на массу тела. Среди человекообразных обезьян люди являются исключением. С поправкой на массу тела мы тратим на 20 % больше энергии за сутки, чем шимпанзе и бонобо, на 40 % больше, чем гориллы, и на 60 % больше, чем орангутаны, о чем Понцер с соавт. сообщали в Nature в 2016 году.

Понцер говорит, что разница в отложении жира столь же удивительна: у мужчин вдвое больше жира по сравнению с самцами других обезьян, а у женщин — в три раза больше, чем у самок прочих гоминид. Он считает, что такие большие объемы жира у человека коррелируют с эволюцией нашего более быстрого метаболизма: жир тратит меньше энергии, чем мышечная ткань, и обеспечивает запас «топлива». В своей книге Burn Понцер пишет: «Наша метаболическая система не создавалась эволюцией с целью позирования в бикини на пляже».

Наша способность преобразовывать пищу и жировые запасы в энергию с большей скоростью по сравнению с другими гоминидами — важное преимущество: благодаря ней у нас есть больше ежедневной энергии для подпитки большого головного мозга, а также для вскармливания и защиты потомства с длительным и энергозатратным детством.

Понтцер считает, что определенные характерные черты в поведении и анатомии человека помогают поддерживать ускоренный метаболизм. Например, люди обычно делят с другими взрослыми больше еды, чем другие человекообразные обезьяны. Совместная трапеза более эффективна в контексте группового выживания и могла создать для древних людей систему энергетической безопасности. А наш большой мозг сформировал петлю положительной обратной связи. Мозг требует больше энергии, но при этом благодаря нему наши далекие предки могли изобретать все более совершенные орудия труда, смогли подчинить огонь, научились готовить пищу и приспосабливаться к окружающей среде иными путями, чтобы получать или сохранять больше энергии.

Понцер приобрел опыт совместного добывания пищи и трапезы в 2010 году во время своей командировки в Танзанию, целью которой было изучение энергетических ресурсов охотников-собирателей народа хадза. Одной из первых вещей, которую он заметил, было то, как часто хадза использовали слово «дза», что означает «давать». Это волшебное слово все хадза учат с детства, чтобы просить кого бы то ни было делиться с ними ягодами, медом или другой пищей. Такая щедрость требует от всех хадза быть активными: охотясь и собирая пищу, женщины хадза ежедневно проходят около восьми километров, мужчины — около 14 километров, что больше, чем среднестатистический американец проходит за неделю.

Чтобы выяснить, какое количество энергии тратят хаздза, Понцер поинтересовался, согласны ли они пить безвкусный изотопный водный коктейль и сдавать анализы мочи. Туземцы согласились. Понцер практически не получил финансирование для исследования, потому что другие ученые считали ответ слишком очевидным. Понтцер вспоминает, что всем было известно, что у хадза исключительно высокие энергозатраты по причине той значительной физической активности, что сопровождает их жизнь. Однако, как выяснилось, это не так.

У хадза были дни большей и меньшей активности, а некоторые люди сжигали на 10 % больше или меньше калорий по сравнению со средним. Но с поправкой на нежировую массу тела мужчины и женщины хадза тратили в среднем такое же количество энергии в день, как мужчины и женщины в Соединенных Штатах, а также в Европе, России и Японии, о чем Понцер сообщил в PLоS ONE в 2012 году. Шоллер же отмечает, что это удивительно — особенно с учетом разницы в физической активности.

Единственным человеком, которого не удивили результаты, была эпидемиолог Эми Люк из Университета Лойолы в Чикаго. Ей уже довелось получить аналогичный результат в ходе исследований с дважды меченой водой. Она обнаружила, что женщины-фермеры в Западной Африке ежедневно потребляют такое же количество энергии (с поправкой на безжировую массу тела), что и женщины в Чикаго — около 2400 килокалорий на женщину массой 75 кг. Люк сообщает, что ее работа не получила широкой известности, пока статья Понцера не произвела фурор. С тех пор они начали сотрудничество.

Как отмечает Сэм Урлахер из Бэйлорского Университета, бывший постдок Понцера, ему удается «очень хорошо продавать серьезные идеи», будь то в текстах в социальных сетях или в научных и научно-популярных работах. «Некоторых это раздражает, но он не боится оказаться неправым».

Результаты исследований, посвященных другим группам охотников-собирателей, подтверждают, что в хадза нет никакой аномалии. Понцер считает, что организм охотников-собирателей приспосабливается к большей активности в течение суток, затрачивая меньше калорий на другие не заметные внешне процессы, как например, воспалительные реакции и стресс. Ученый поясняет, что вместо того, чтобы увеличивать количество сжигаемых калорий за сутки, физическая активность хадза изменяла сам способ затраты энергии.

В качестве подтверждения своим словам Понцер приводит результаты другого исследования, объектами которого стала группа женщин, ведущих малоподвижный образ жизни, которые, однако, тренировались для того, чтобы пробежать половину марафонской дистанции: даже после нескольких недель тренировок, когда испытуемые бегали по 40 км в неделю, их организм тратил едва ли больше энергии за сутки, чем до начала тренировок. Понцер ссылается на еще одно исследование, посвященное марафонцам. Испытуемые, которые ежедневно пробегали 42,6 км шесть дней в неделю в течение 140 дней в рамках забега Race Across the USA, тратили все меньше энергии: 4900 калорий в сутки на момент окончания забега по сравнению с 6200 калорий в начале исследования.

По словам Понцера, по мере того, как спортсмены бегали все больше и больше в течение недель или месяцев, метаболические затраты на другие задачи в их организме сокращались, освобождая место для дополнительной потребности под физическую нагрузку. И наоборот, если человек ведет малоподвижный образ жизни, он все равно может тратить почти столько же калорий в сутки, что и тренирующийся, лишь с одной оговоркой: больше энергии будет затрачиваться внутренние процессы, такие как реакция на стресс.

«Наша метаболическая система не создавалась эволюцией с целью позирования в бикини на пляже»
— ГЕРМАН ПОНЦЕР УНИВЕРСИТЕТ ДЬЮКА

По словам палеоантрополога Даниэля Либермана из Гарварда, который был научным руководителем Понцера, это самая противоречивая и интересная идея Понцера. Либерман поясняет, что, например, если человек сегодня утром пробежал около пяти миль, то на бег потратилось около 500 калорий. В очень упрощенной модели это означало бы, что мой ОРЭ будет на 500 калорий выше… Но согласно гипотезе Германа [Понцера], ОРЭ у более активных людей ненамного выше… однако почему так происходит, ответа до сих пор нет.

Выводы Понцера обескураживают людей, желающих похудеть. Как заявляет физиолог-эволюционист Джон Спикман из Китайской академии наук, вам не удастся избавиться от ожирения с помощью физических упражнений. «Это одна из тех зомби-идей, которые не умирают». Исследование уже влияет на диетические рекомендации по питанию и снижению веса тела. В Национальной продовольственной стратегии Великобритании (U.K. National Food Strategy), например, отмечается, что «от плохих привычек в питании не убежать».

Однако Тайфолт предупреждает, что такие сведения может нести больше вреда, чем пользы. По его словам, люди, которые занимаются спортом, с меньшей вероятностью набирают вес, а тем, кто занимается спортом и придерживаются здорового рациона питания, как правило, лучше удается поддерживать качественную физическую форму. Он продолжает, что упражнения также могут влиять на то, где в организме накапливаются жировые отложения, на риск развития диабета и сердечно-сосудистых заболеваний.

Понцер согласен с идеей, что физические упражнения необходимы для хорошего здоровья: хадза, которые ведут активный образ жизни и доживают до 70–80 лет, не болеют диабетом и сердечными заболеваниями. И он добавляет: «Если упражнения подавляют реакцию на стресс, такая компенсация — крайне полезна». Однако, он заявляет, что несправедливо вводить в заблуждение людей, сидящих на диете. Мнение Понцера таково: «Упражнения — надежная защита от болезней, однако диета — лучший инструмент для контроля веса тела».

Тем временем Понцер подготовил и другие сюрпризы. В прошлом году вместе со Спикман они возглавили работу по созданию нового замечательного ресурса — Базы данных о дважды меченой воде Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). В Базу внесены все существующие исследования, где применялась дважды меченая вода, в которых испытуемыми были почти 6800 человек возрастом от 8 дней до 95 лет.

Ученые воспользовались этой базой данных для проведения первого комплексного исследования использования энергии человеком на протяжении всей жизни. Опять же, на карту было поставлено популярное представление о том, что у подростков и беременных женщин более высокий метаболизм. Однако Понцер выяснил, что настоящими динамо-машинами являются дети в возрасте около года . У новорожденных такая же скорость обмена веществ, как и у их беременных матерей, которая ничем не отличается от таковой у других женщин с поправкой на размер тела. Но в возрасте от 9 до 15 месяцев дети тратят на 50 % больше энергии в день, чем взрослые с поправкой на размер тела и жировой массы (см. график). По всей видимости, это подпитывает растущий мозг детей и, возможно, способствует развитию иммунной системы. Выводы, опубликованные в Science, объясняют, почему у детей, страдающих от недоедания, может быть задержка роста.

Метаболизм детей с поправкой на размер тела остается высоким примерно до пяти лет, затем его скорость начинает медленно снижаться к 20 годам и стабилизируется во взрослом возрасте. Люди начинают тратить меньше энергии в возрасте 60 лет, а к 90 годам пожилые люди используют на 26 % меньше энергии, чем люди среднего возраста.

Сейчас Понцер изучает вопрос, возникший в ходе его исследований спортсменов: по всей видимости, существует жесткий предел того, сколько калорий организм человека способен сжигать за сутки; этот предел устанавливается скоростью пищеварения и превращения пищи в энергию. Ученый подсчитал, что верхний предел 85-килограммового мужчины — порядка 4650 калорий в день.

Спикман полагает, что это значение слишком низкое, отмечая, что велосипедистам на Тур де Франс в 1980-90-е ггоды удавалось его преодолеть. Однако им внутривенно вводили глюкозо-липидные питательные смеси, и именно это Понцер считает причиной того, что тем спортсменам удавалось перешагнуть физиологические пределы превращения макронутриентов пищи в энергию. Как показали исследования с марафонцами, атлетам высокого класса удается прорвать этот биологический барьер, но лишь на несколько месяцев,: поддерживать такой уровень энергозатрат неопределенно долго невозможно.

Для понимания того, как организм подпитывает себя для интенсивных физических нагрузок или для борьбы с заболеваниями без усиления обмена веществ и преодоления энергетических барьеров, Понцер вместе со студентами изучает, как тормозятся затраты энергии на другие нужды. Он полагает, что наша физиология приспосабливается под новые условия, подавляя воспаление и реакции на стресс. Организм стремится к балансу энергии во всем.

Вот почему он хотел знать, сколько энергии израсходовала Кристина, пока он докучал ей арифметическими задачками в лаборатории. После теста Кристина сказала, что она «определенно испытала стресс». По ходу того, как она считала в уме, частота ее сердечных сокращений увеличилась с 75–80 до 115 ударов в минуту. И потребление энергии у возросло с 1,2 килокалории в минуту до целых 1,7 килокалории в минуту.

Понцер поясняет, что организм Кристины тратил на 40 % больше энергии в минуту во время арифметического теста и на 30 % — в ходе интервью. «Подумайте о любом другом процессе, который повышает Ваше энергопотребление примерно на 40 %».

Он надеется, что подобные данные помогут выявить скрытую цену умственной работы. Измерение того, как стресс и иммунные реакции усиливают потребление энергии, поможет понять, как такая невидимая внешне деятельность отражается на ежедневном энергетическом бюджете человека. Понцер знает, что ему есть куда двигаться в этой сфере. «Пока нам не удастся разобраться во всем этом механизме, чтобы корректировать наш расход энергии, люди всегда будут настроены скептически [к процессу похудения]. На очереди следующее поколение новых экспериментов».