Не спортом единым: на что мы тратим энергию на самом деле

Теплым октябрьским утром Герман Понцер надевает помятый лабораторный халат, поправляет маску и направляется в свою лабораторию в Университете Дьюка, где надеется вызвать стресс у студентки. Студентка по имени Кристина лежит на лабораторном столе, поместив голову под прозрачный пластиковый колпак. Понцер официально приветствует ее и приступает к проверенному временем методу повышения кровяного давления: он дает ей устные задания по математике.

«Начните с числа 1022 и вычитайте 13, пока не дойдете до нуля, — говорит он громко, чтобы его было слышно за гудением кондиционера. — Если вы ошибетесь, то начинаем с самого начала. Готовы?»

— 1009, 997, — считает Кристина.

— Сначала, — командует Понцер.

Кристина, записавшаяся на «стресс-тест», нервно смеется. Она пытается снова и доходит до 889, но Понцер останавливает ее. Это происходит снова и снова. Затем Понцер просит ее вслух умножить 505 на 117. К этому моменту она уже сжимает пальцы ног.

Научный сотрудник Зейн Свонсон и студентка выпускного курса Габриэль Батлер следят за частотой сердечного ритма и количеством углекислого газа (CO2), который выдыхает Кристина. Затем Понцер задает ряд вопросов, призванных повысить уровень стресса студентки: какова работа ее мечты, и что именно она собирается делать после окончания университета?

Это еще один день в лаборатории Понцера, где он и его студенты измеряют, сколько энергии тратят люди во время стресса, физических упражнений или иммунного ответа на вакцину, среди прочих состояний. Измеряя содержание CO2 в дыхании Кристины, он выясняет, сколько энергии она сожгла, пока справлялась со стрессом от вычислений.

В 44 года работа всей жизни Понцера как биологического антрополога — подсчет калорий. Это не для того, чтобы похудеть — при росте 1,85 метра и весе около 75 килограммов, при страсти к бегу и скалолазанию он «тощий парень», по словам онлайн-обозревателя его книги «Сжечь: новое исследование раскрывает тайну того, как мы действительно сжигаем калории, худеем и остаемся здоровыми», которая вышла в 2021 году.

Понцер с удовольствием рассказывает о том, как снизить вес, на «Шоу доктора Оза» и Национальном Общественном Радио, но его настоящая миссия — понять, как человеку, единственному среди человекообразных обезьян, удается обладать всем с энергетической точки зрения: у нас большой мозг, долгое детство и большая продолжительность жизни. Энергетический бюджет, необходимый для поддержания этих характеристик, включает в себя неразгаданные пока еще компромиссы между энергией, затрачиваемой на физические упражнения, на размножение, на стресс, болезни и жизненно важные функции.

Пользуясь методом, разработанным физиологами, изучающими ожирение, Понцер и его коллеги систематически измеряют общее количество энергии, которое тратится в день животными и людьми в различных сферах жизни. Ответы, полученные на основе этих данных, часто удивляют: физические упражнения в среднем не помогают сжигать больше энергии. Активные охотники и собиратели в Африке тратят ежедневно не больше, чем офисные работники в Иллинойсе, ведущие малоподвижный образ жизни. Беременные женщины не сжигают больше калорий в день, чем другие взрослые, если учитывать массу тела.

Метаболизм в течение жизни

С поправкой на массу тела дети младшего возраста сжигают больше всего калорий в день. Общие энергетические затраты (ОЭЗ) снижаются после 60 лет, хотя у отдельных людей наблюдаются некоторые различия

Способности Понцера как популяризатора могут смущать некоторых его коллег. В его утверждении о том, что физические упражнения не помогут вам сбросить вес, «нет нюансов», по словам физиолога Джона Тифолта из Медицинского центра Канзасского университета, который считает, что это может подтолкнуть людей, придерживающихся диеты, к менее здоровым привычкам.

Но другие считают, что помимо развенчания мифов о расходе энергии человеком, работа Понцера предлагает новый взгляд на физиологию и эволюцию человека. Как он пишет в своей книге: «В экономике жизни валютой являются калории».

«Его работа — это революция, — считает палеоантрополог Лесли Айелло, бывший президент Фонда Веннера-Грена, который финансировал работу Понцера. — Теперь у нас есть данные, которые дали нам совершенно новую основу для того, как можно рассматривать адаптацию человека к энергетическим ограничениям».

Понцер родился в семье двух учителей английского языка и провел детство недалеко от небольшого городка Керси, штат Пенсильвания, на земле близ Аппалачей, покрытой 40 гектарами леса. Его отец, который помогал строить их дом, научил Понцера интересоваться, как все устроено, и чинить вещи. «В нашем доме никто и никогда не вызывал сантехников или электриков», — вспоминает Понцер.

Эти уроки самодостаточности и общительный характер помогли ему справится с потерей отца, когда ему было всего 15. Старший двоюродный брат взял его с собой на скалолазание, что научило его быть одновременно смелым и организованным — навыки, которые, по его словам, впоследствии помогли идти на интеллектуальный риск и оспаривать устоявшиеся идеи. «Когда у вас случаются неприятности, и жизнь выбивает из колеи, это пугает, — считает Понцер. — Тем не менее, вы должны двигаться вперед, и это учит вас не бояться нового».

Понцер подал документы в единственный колледж — Университет штата Пенсильвания, чьи футбольные матчи были ярким событием его детства. «Я думал, что пойду по стопам отца: поступлю в Пенсильванский государственный университет, получу диплом преподавателя и останусь в Керси», — делится он. Но в университете он работал с известным палеоантропологом Аланом Уокером, ныне покойным, и решил поступить в аспирантуру по биологической антропологии.

Узнав, что его многообещающий ученик выбирал учебное заведение, исходя из их близости к горам, Уокер был прямолинеен: он сказал Понцеру, что он идиот, если не подаст заявление в Гарвардский университет, а когда Понцера приняли, что он будет идиотом, если не пойдет.

И Понцер пошел. В начале 2000-х годов ученые мало что знали об общих энергетических затратах человека (ОЭЗ), количестве килокалорий («калорий» на этикетках продуктов питания), которое 37 триллионов клеток организма сжигают за 24 часа. Исследователи измеряли скорость, с которой наш организм сжигает энергию в состоянии покоя — базальную скорость метаболизма (БСМ), которая включает энергию, используемую для дыхания, кровообращения и других жизненно важных функций. Они знали, что БСМ примерно одинакова у крупных млекопитающих с поправкой на размер тела. Поэтому, хотя БСМ отражает только 50%-70% общего потребления энергии, исследователи посчитали, что в килограммах человек сжигает энергию примерно с той же скоростью, что и другие приматы.

Но у людей есть дополнительные затраты энергии: наш крупный мозг, на который приходится 20% дневного потребления энергии. Айелло выдвинул предположение, что наши предки компенсировали эти высокие расходы на мозг за счет развития меньшего размера кишечника и других органов. Другие считали, что люди экономили энергию, эволюционируя, чтобы ходить и бегать более эффективно.

В Гарварде Понцер захотел проверить эти идеи. Но он понял, что для этого недостаточно данных: никто не знал, сколько общей энергии расходуют приматы при движении, и тем более не знал, как различия в анатомии или соотношения в размерах органов влияют на расход энергии. «Мы говорили об адаптации опорно-двигательного аппарата у гоминидов, мы говорили об эффективности, мощности и силе, но все это [были] лишь предположения», — говорит Понцер.

Он понял, что должен вернуться к основам, измеряя калории, затраченные людьми и животными при ходьбе и беге на беговых дорожках. Млекопитающие используют кислород для преобразования сахаров из пищи в энергию, при этом побочным продуктом является CO2. Чем больше CO2 выдыхает млекопитающее, тем больше кислорода и калорий оно сожгло.

Для своей докторской диссертации Понцер измерял, сколько 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 2007 году, вскоре после того, как получил свою первую работу в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Со временем, по его словам, «то, что начиналось как невинный проект по измерению затрат на ходьбу и бег людей, собак и коз, переросло в своего рода профессиональную одержимость измерением энергозатрат».

Понцер по-прежнему измеряет количество выдыхаемого CO2, чтобы получить данные о калориях, сожженных при определенном виде деятельности, как это было в стресс-тесте Кристины. Но он обнаружил, что физиологи разработали лучший способ измерения уровня общих энергетических затрат (ОЭЗ) в течение дня: метод двойной маркировки воды, который измеряет уровень ОЭЗ, не требуя от испытуемого дышать в вытяжку в течение всего дня.

Физиолог Дейл Шуллер, ныне работающий в Висконсинском университете в Мэдисоне, адаптировал метод, впервые примененный на мышах, к людям. Люди пьют безвредный коктейль из маркированной воды, в котором разные изотопы водорода и кислорода заменяют обычные формы. Затем исследователи берут образцы мочи несколько раз в течение 1 недели. Маркированный водород проходит через тело с мочой, потом и другими жидкостями, но когда человек сжигает калории, часть маркированного кислорода выдыхается в виде CO2. Таким образом, соотношение маркированного кислорода и водорода в моче служит мерой того, сколько кислорода в среднем использовали клетки человека за день и, следовательно, сколько калорий было сожжено. Этот метод является золотым стандартом для определения общего потребления энергии, но он стоит 600 долларов за тест и был недоступен для большинства эволюционных биологов.

Первый из многих прорывов Понцера в использовании этого метода произошел в 2008 году, когда, получив 20 000 долларов от Фонда Веннера-Грена, он имел возможность собрать образцы мочи в заповеднике и исследовательском центре Great Ape Trust в Айове. Специалист по приматам Роб Шумейкер дал выпить изотопный чай без сахара четырем орангутангам. Понцер беспокоился о сборе мочи у взрослой обезьяны, но Шумейкер заверил его, что орангутанги приучены мочиться в чашку.

Поздней осенью, когда Понцер получил результаты анализа мочи, он им не поверил: орангутаны сжигали одну треть энергии, ожидаемой для млекопитающего такого размера. Повторный анализ дал те же результаты: Ази, взрослый самец весом 113 килограммов, например, сжигал 2050 килокалорий в день, что гораздо меньше, чем 3300, которые обычно сжигает 113-килограммовый человек. «Я был в полном недоумении, — рассказывает ученый. — Возможно, орангутаны были ленивцами, поскольку в прошлом они испытывали длительную нехватку пищи и эволюционировали, чтобы выживать на меньшем количестве калорий в день».

Последующие исследования обезьян в неволе и в заповедниках с двойной маркировкой воды разрушили общепринятое мнение о том, что все млекопитающие имеют одинаковую скорость метаболизма с поправкой на массу тела. Среди человекообразных обезьян люди являются исключением. С поправкой на массу тела мы сжигаем на 20% больше энергии в день, чем шимпанзе и бонобо, на 40% больше, чем гориллы, и на 60% больше, чем орангутаны, о чем сообщили Понцер и его коллеги в журнале Nature в 2016 году.

Приматы с высоким расходом энергии

Люди ежедневно сжигают гораздо больше энергии, а также откладывают намного больше энергии в виде жира, чем другие человекообразные обезьяны. Наш общий расход энергии (ОЭЗ) включает в себя базальный уровень метаболизма (БСМ) плюс другие виды деятельности, в том числе физические упражнения.

Понцер говорит, что разница в количестве жира в организме не менее шокирующая: мужчины набирают в два раза больше жира, чем другие приматы-самцы, а женщины — в три раза больше, чем другие самки приматов. Он считает, что большое количество жира в нашем теле развилось вместе с более быстрым обменом веществ: жир сжигает меньше энергии, чем другие ткани, и обеспечивает запас топлива. «Наши метаболические двигатели были созданы миллионами лет эволюции не для того, чтобы обеспечить нам тело, готовое к пляжу и бикини», — пишет Понцер в своей книге.

Однако наша способность преобразовывать запасы пищи и жира в энергию быстрее, чем другие приматы, имеет важные преимущества: она дает нам больше энергии каждый день, чтобы мы могли питать большой мозг, а также кормить и защищать потомство с долгим, энергетически затратным детством.

Понцер считает, что характерные для человека черты поведения и анатомии помогают нам поддерживать ускоренный обмен веществ. Например, люди обычно делят больше пищи с другими взрослыми особями, чем остальные приматы. Совместное питание более эффективно для группы, и это давало древним людям энергетическую защиту. А наш большой мозг создал петлю положительной обратной связи. Это потребовало больше энергии, но также дало первым людям смекалку, чтобы изобретать лучшие инструменты, обращаться с огнем, готовить пищу и приспосабливаться к другим способам получения или сохранения большего количества энергии.

Понцер усвоил урок ценности обмена едой в 2010 году, когда он отправился в Танзанию, чтобы изучить энергетические ресурсы охотников-собирателей племени хадза. Одной из первых вещей, которую он заметил, было то, как часто хадза использовали слово «дза», что означает «давать». Это волшебное слово, которое все хадза учат в детстве, чтобы заставить кого-то поделиться с ними ягодами, медом или другими продуктами. Такое совместное использование помогает всем хадза быть активными: охотясь и собирая корм, женщины хадза ежедневно проходят около 8 километров; мужчины — 14 километров. Это больше, чем некоторые современные люди проходят за неделю.

Чтобы узнать об их расходе энергии, Понцер спросил хадза, будут ли они пить его безвкусный водный коктейль и сдавать образцы мочи. Они согласились. Он почти не мог получить финансирование для исследования, потому что другие исследователи считали ответ очевидным. «Все и так знали, что у людей народности хадза исключительно высокие энергозатраты, потому что они очень активны физически, — вспоминает ученый. — Вот только все оказалось не так».

У отдельных людей племени хадза были дни большей и меньшей активности, а некоторые сжигали на 10% больше или меньше калорий, чем в среднем. Но с поправкой на безжировую массу тела мужчины и женщины хадза сжигали в среднем такое же количество энергии в день, как мужчины и женщины в Соединенных Штатах, в Европе, России и Японии, сообщил он в научном журнале PLOS ONE в 2012 году. «Это удивительно, если учесть различия в физической активности», — считает Шуллер.

Одним из тех человек, которые не нашли в этом ничего удивительного, была эпидемиолог Эми Люк из Университета Лойолы в Чикаго. Она уже получила аналогичный результат в исследованиях воды с двойной маркировкой, показывающих, что женщины-фермеры в Западной Африке ежедневно расходуют такое же количество энергии, с поправкой на нежировую массу тела, что и женщины в Чикаго — около 2400 килокалорий, при весе в 75 кг. Люк рассказывает, что ее работа не получила широкой известности, до того момента, пока работа Понцера не произвела фурор. С тех пор они начали сотрудничество.

Понцер «прекрасно продвигает большие идеи», будь то в социальных сетях или в публикациях для широкой аудитории, — говорит его бывший аспирант Сэм Урлахер из Университета Бэйлора. — Некоторых это раздражает, но он не боится оказаться неправым».

Исследования других народов охотников-собирателей подтвердили, что хадза не являются аномалией. Понцер считает, что организмы людей этих племен приспосабливаются к большей активности, тратя меньше калорий на другие невидимые задачи, такие как реакция на воспаление и стресс. «Вместо того, чтобы увеличивать количество сожженных калорий в день, физическая активность хадза меняла то, как они тратят свои калории», — говорит он.

Он подкрепил это новым анализом данных из исследования другой группы женщин, ведущих малоподвижный образ жизни, которые тренировались для бега полумарафонов: после нескольких недель тренировок они сжигали совсем немногим больше энергии в день, когда бегали по 40 километров в неделю, чем до того, как начали тренироваться. В другом исследовании марафонцев, которые пробегали 42,6 километра ежедневно 6 дней в неделю в течение 140 дней в рамках программы Race Across the USA, Понцер и его коллеги обнаружили, что бегуны сжигали постепенно меньше энергии с течением времени: 4900 калорий в день в конце забега по сравнению с 6200 калориями в начале.

По словам Понцера, по мере того, как спортсмены бегали все больше и больше в течение нескольких недель или месяцев, их метаболический механизм сокращал свои расходы на другие задачи, чтобы освободить место для дополнительных затрат на физические упражнения. И наоборот, если вы «сидите на диване», то можете тратить почти столько же калорий ежедневно, оставляя больше энергии организму для внутренних процессов, таких как реакция на стресс.

Это «самая спорная и интересная идея Понцера, — говорит гарвардский палеоантрополог Даниэль Либерман, который был его научным руководителем. — Сегодня утром я пробежал около 5 миль. Я потратил около 500 калорий на бег. В очень упрощенной модели это означало бы, что мой ОЭЗ будет на 500 калорий выше. … По словам Германа, у более активных людей ОЭЗ не намного выше, как можно было бы предсказать… но мы до сих пор не знаем, почему и как это происходит».

Выводы Понцера имеют обескураживающее значение для людей, желающих похудеть. «Вы не сможете избавиться от ожирения только с помощью физических упражнений, — говорит эволюционный физиолог Джон Спикман из Китайской академии наук. — Это одна из тех идей-зомби, которая отказывается умирать». Уже сейчас исследования влияют на диетические рекомендации по питанию и снижению веса. Например, в Национальной продовольственной стратегии Великобритании отмечается, что «невозможно убежать от диеты».

Однако Тифо предупреждает, что такая информация может принести больше вреда, чем пользы. По его словам, люди, которые занимаются спортом, реже набирают вес, а те, кто занимается спортом во время диеты, лучше удерживают вес. По его словам, физические упражнения также могут повлиять на место отложения жира в организме и на риск развития диабета и сердечных заболеваний.

Понцер согласен с тем, что физические упражнения необходимы для хорошего здоровья: хадза, которые ведут активный образ жизни и сохраняют хорошую физическую форму до 70 и 80 лет, не болеют диабетом и сердечными заболеваниями. И, добавляет он: «если физические упражнения подавляют реакцию стресса, то это хорошая компенсация». Но он также считает, что нечестно вводить в заблуждение людей, сидящих на диете: «Упражнения защищают вас от болезней, но диета — лучший инструмент для контроля веса».

Тем временем Понцер открыл дорогу для других удивительных открытий. В прошлом году он и Спикман вместе возглавили работу по созданию замечательного нового ресурса — базы данных Международного агентства по атомной энергии о воде с двойной маркировкой. Она включает в себя существующие исследования воды с двойной маркировкой среди почти 6800 человек в возрасте от 8 дней до 95 лет.

Они использовали базу данных для проведения первого комплексного исследования использования энергии человеком на протяжении всей жизни. Опять же, изучению подверглось популярное предположение: у подростков и беременных женщин более высокий метаболизм. Но Понцер обнаружил, что именно малыши — настоящий «мотор». У новорожденных скорость метаболизма такая же, как и у их беременных матерей, и ничем не отличается от других женщин с поправкой на размер тела. Но в возрасте от 9 до 15 месяцев младенцы тратят на 50% больше энергии за день, чем взрослые, с поправкой на размер тела и количество жира. Это, вероятно, служит топливом для их растущего мозга и, возможно, развивающейся иммунной системы. Результаты исследования, опубликованные в журнале Science, помогают объяснить, почему недоедающие младенцы могут отставать в развитии.

Метаболизм детей остается высоким примерно до 5 лет, затем он начинает медленно снижаться к 20 годам и стабилизируется во взрослом возрасте. Люди начинают потреблять меньше энергии в возрасте 60 лет, а к 90 годам пожилые люди потребляют на 26% меньше энергии, чем люди среднего возраста.

Сейчас Понцер изучает загадку, которая возникла в результате его исследований спортсменов. Похоже, существует строгий предел того, сколько калорий в день может сжигать наш организм, который определяется тем, насколько быстро мы можем переварить пищу и превратить ее в энергию. По его расчетам, потолок для 85-килограммового мужчины составляет около 4650 калорий в день.

Спикман считает этот предел слишком низким, отмечая, что велосипедисты на Тур де Франс в 1980-х и 90-х годах превышали его. Но они вводили жир и глюкозу непосредственно в кровь, что, по мнению Понцера, могло помочь им обойти физиологические ограничения на преобразование пищи в энергию. По словам Понцера, исследование марафонцев показало, что профессиональные спортсмены могут раздвигать границы в течение нескольких месяцев, но не могут поддерживать их бесконечно.

Чтобы понять, как организм может переносить интенсивные физические нагрузки или бороться с болезнями, не нарушая энергетических ограничений, Понцер и его студенты изучают, как организм ограничивает другие виды деятельности. «Я думаю, что мы обнаружим, что эти корректировки уменьшают воспаление, снижают нашу реакцию на стресс. Мы делаем это, чтобы свести наш энергетический баланс».

Именно поэтому он хотел узнать, сколько энергии израсходовала Кристина во время лабораторного теста. После исследования, студентка сказала, что определенно «испытывала стресс». По мере того как проходил тест, ее пульс участился с 75-80 ударов в минуту до 115. И потребление энергии увеличилось с 1,2 килокалории в минуту до целых 1,7 килокалории в минуту.

«Она потратила на 40% больше энергии во время математического теста и почти на 30% больше во время вопросов, — говорит Понцер. — Подумайте, какой еще процесс может повысить расход энергии примерно на 40%».

Он надеется, что такие данные помогут выявить скрытую цену умственного стресса. Измерение того, как стресс и иммунные реакции усиливают потребление энергии, может помочь выявить, как эти невидимые виды деятельности складываются и распределяются в наших ежедневных энергетических бюджетах. Понцер считает, что работа предстоит большая: «Пока мы не покажем, как нажимаются рычаги, чтобы внести коррективы в энергопотребление, люди всегда будут настроены скептически. Мы должны провести следующее поколение экспериментов».

Источник