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

Львы разбудили меня около двух часов ночи. Звук был не просто громким, а будоражащим – как гидравлика мусоровоза, прерываемая ворчанием работающего на холостом ходу Harley-Davidson[1]. Моей первой смутной реакцией была своего рода благодарная радость. Ах, эти звуки дикой Африки! Я смотрел на звезды сквозь тонкую сетчатую крышу своего тента, ощущая, как ночной ветерок пробирается сквозь сухую траву и колючие акации к тонким нейлоновым стенам палатки, пронося хор львов по саванне. Я чувствовал себя настоящим везунчиком, лежа в своем маленьком убежище посреди просторной африканской саванны, в таком отдаленном и безлюдном месте, что всего в нескольких сотнях метров от меня были дикие животные. Как же мне повезло!

Затем я почувствовал прилив адреналина и меня наполнил страх. Я не был в зоопарке или на каком-нибудь туристическом сафари. Эти львы были не с красивых картинок в журнале National Geographic или из программы «Природа» от PBS[2]. Это была настоящая жизнь. Банда мускулистых стокилограммовых кошачьих машин для убийств находилась недалеко от меня, и они были… взволнованными. Может быть, даже… голодными? Конечно, они меня учуяли. После нескольких дней, проведенных в походе, даже я чувствовал собственный запах. Каков был мой план, когда они пришли за моей мягкой американской тушей, теплым сыром бри из человеческой плоти? Я гадал, как близко они подойдут, прежде чем я услышу их шаги в высокой траве или, если конец придет внезапно, рокот когтей и горячих острых клыков, раздирающих стены палатки.

Я все обдумывал, стараясь быть рациональным. Судя по звуку, львы должны были сначала пройти мимо палаток Дэйва и Брайана. Моя была третьей по ходу их движения. Это означало, что вероятность быть съеденным львами сегодня вечером была 1 к 3, или если вы хотите мыслить более позитивно, то шанс не стать чьим-то ужином равнялся примерно 67 %. Это была утешительная мысль. К тому же мы были в окружении хадза[3], на окраине их родной деревне. А с ними никто никогда не связывается.

Конечно, ночью гиены и леопарды иногда пробирались мимо их травяных хижин в поисках объедков или оставленных без присмотра детей, но львы, казалось, все равно старались держаться от них подальше.

Страх начал рассеиваться. Я снова ощутил сонливость. Скорее всего, со мной все будет в порядке. Кроме того, если уж есть вероятность быть съеденным львами, лучше всего в этот момент спать. Я взбил кучу грязной одежды, которую использовал вместо подушки, поправил спальный мешок и снова лег спать.

Это было мое первое лето работы с хадза, щедрым, находчивым и невероятно открытым племенем, которое жило в маленьких деревнях, разбросанных по суровой полузасушливой саванне вокруг озера Эяси в северной Танзании. Антропологи и биологи, такие как я, любят работать с этим народом именно из-за его удивительной жизни. Хадза – это охотники: у них нет ни сельского хозяйства, ни домашних животных, ни машин, ни ружей, ни электричества.

Каждый день они добывают себе пищу, охотятся в диком ландшафте Африки, рассчитывая только на собственный тяжелый труд и хитрость. Женщины собирают ягоды или выкапывают дикие клубни из каменистой почвы толстыми заостренными палками, часто с ребенком на спине в перевязи. Мужчины охотятся на зебр, жирафов, антилоп и других животных с помощью мощных луков и стрел, которые делают из ветвей деревьев, или рубят стволы маленькими топориками, чтобы извлечь дикий мед из ульев, построенных в дуплах. Дети бегают и играют вокруг травяных хижин деревни или идут группами за дровами и водой. Старейшины либо отправляются на поиски пищи вместе с другими мужчинами (они удивительно проворны даже в свои семьдесят лет), либо остаются в лагере, чтобы следить за происходящим.

Такой образ жизни был нормой во всем мире на протяжении более двух миллионов лет, начиная с эволюционной зари нашего вида и до изобретения сельского хозяйства всего двенадцать тысяч лет назад. Пока оно распространялось в городах, принося с собой урбанизацию и, в конечном счете, индустриализацию, большинство культур обменивали свои землеройные палки на посевы и кирпичные дома. Некоторые, как хадза, гордо держались за свои традиции, даже когда мир менялся и начинал посягать на их образ жизни. Сегодня эти популяции – последние живые «окна» в общее прошлое человечества, связанное с охотниками и собирателями.

Хадза – коренной народ, проживающий в саванне северной Танзании. Они не занимаются сельским хозяйством, а пищу добывают посредством охоты.

Вместе с моими хорошими друзьями и исследователями Дэйвом Райхленом и Брайаном Вудом и нашим научным сотрудником Фидесом я был в Хадзалэнде (там мы называем их родину) на севере Танзании, чтобы изучить, как образ жизни племени отражается на метаболизме – способности тела сжигать энергию. Это простой, но невероятно важный вопрос. Все, что делает наше тело, – рост, движение, исцеление, размножение – требует энергии. И поэтому исследование того, Герман Понцер как она расходуется, является первым и главным шагом на пути к пониманию того, как работает человеческий организм. Мы хотели знать, как работает тело человека в обществе охотников и собирателей, таких как хадза, где люди все еще являются неотъемлемой частью функционирующей экосистемы и ведут такой образ жизни, который был присущ нашим предкам в далеком прошлом. Никто никогда не измерял суточные затраты энергии, общее количество калорий, сжигаемых в день, в популяции охотников и собирателей. Нам не терпелось стать первыми.

В современном мире, далеком от ежедневной работы по добыванию пищи голыми руками, мы уделяем мало внимания тому, как расходуется энергия. А если задумываемся об этом, то мысли уходят не дальше очередной новой диеты. Мы вспоминаем лишь последний план тренировки или думаем о том, сожгли ли достаточно калорий, чтобы съесть этот пончик. Калории – это хобби, числовые данные на наших умных часах. Но племя хадза точно знает больше, чем мы. Они интуитивно понимают, что пища и та энергия, которую она содержит, – это основа жизни. Каждый день они сталкиваются с древней и неумолимой арифметикой: накапливать больше энергии, чем сжигать, или голодать.

Рис. 1.1. Ранний вечер в племени хадза. Акации создают тенистый оазис в саванне. Мужчины, женщины и дети расслабляются и обсуждают события дня. Обратите внимание на травяной домик слева.

Мы проснулись, когда оранжевое солнце еще слабо светило на Востоке, а краски деревьев и травы были размыты в слабых утренних лучах. Брайан развел огонь в нашем маленьком очаге из трех камней в стиле хадза и поставил греться кастрюлю с водой. Мы с Дейвом слонялись вокруг с затуманенными глазами, нуждаясь в кофеине. Довольно скоро мы все пили горячий растворимый кофе и ложками поедали овсянку быстрого приготовления из пластиковых мисок. Нужно было обсудить наш план исследования на день. Мы все слышали львов этой ночью и нервно шутили о том, как близко они подобрались к нам.

Затем из высокой сухой травы к нам вышли четверо мужчин племени хадза. Они шли не из деревни, а с противоположной стороны. Каждый на своих плечах нес большую бесформенную ношу, и я даже не сразу понял, что это было такое: ноги, задние лапы и другие окровавленные части тела большой, только что убитой антилопы. Мужчины знали, что нам нравится изучать еду, которую они несли в деревню. Поэтому охотники сначала пришли сюда, чтобы дать нам возможность первыми увидеть ее, прежде чем они отнесут и разделят убитые туши между всеми жителями.

Брайан бросается к ним, очищает весы, находит тетрадь под названием «Собирательство возвращается» и завязывает разговор с мужчинами на суахили, нашем общем языке с племенем хадза. «Спасибо, что принесли, – говорит Брайан, – но где, черт возьми, вы раздобыли такую огромную антилопу в шесть утра?». «Это куду[4], – говорят парни, ухмыляясь, – и мы его забрали». «Забрали?» – спрашивает Брайан. «Вы, ребята, слышали львов прошлой ночью, верно? – говорят хадза. – Ну, мы решили, что они что-то замышляют, поэтому пошли и проверили. Оказывается, они только что убил эту куду… так что мы забрали ее».

Так все и произошло. Еще один день в Хадзалэнде ознаменовался редкой удачей для всей деревни – большой, жирной и полной белков антилопой куду. Позже этим утром в лагере, грызя жареное мясо и слушая историю о том, как папа и его приятели прогнали в темноте прайд голодных львов, чтобы принести домой еду, дети хадза поймут важный и вечный урок. Энергия – это наше все, и ради нее стоит рискнуть всем. Даже если тебе придется украсть завтрак из пасти огромного хищника.

Рис. 1.2. Рабочий день племени хадза. Мужчины охотятся на дичь с луком и стрелами или собирают мед из диких ульев. Слева человек готовится разделать импалу, которую застрелил из лука час назад. Его друзья, которые помогали выслеживать животное, наблюдают за происходящим. Женщины собирают дикие ягоды и другую растительную пищу. Женщина справа выкапывает дикие клубни из каменистой почвы деревянной палкой, а ее ребенок дремлет у нее за спиной, завернувшись в одеяло.

«Маленький» вопрос жизни и смерти

Энергия – это валюта нашей жизни; без нее мы бы умерли. Тело человека состоит примерно из 37 триллионов клеток, каждая из которых гудит, как микроскопическая фабрика, каждую секунду каждого дня. Вместе они за двадцать четыре часа расходуют достаточно энергии, чтобы довести до кипения около 30 литров ледяной воды. Наши клетки затмевают своей производительностью даже звезды: каждая унция[5] живой человеческой ткани тратит в десять тысяч раз больше энергии каждый день, чем 25 г массы солнца. Часть ее расходуется под нашим сознательным контролем, а именно благодаря мышечной активности, которую мы используем для движения. Однако некоторые вещи мы осознаем довольно смутно, например сердцебиение и дыхание. Большая часть этой бурной деятельности происходит полностью под поверхностью огромного и невидимого океана клеточных процессов, которые поддерживают в нас жизнь. Мы замечаем, что что-то идет не так, когда это «что-то» уже вышло из строя. Ожирение, диабет второго типа, сердечно-сосудистые заболевания, рак и почти все другие болезни, которые преследуют нас в современном мире, чаще всего вызваны тем, что тело неправильно расходует и потребляет энергию.

И все же, несмотря на важность для жизни и здоровья, метаболизм (то, как наши тела расходуют энергию) повсеместно неправильно понимается. Сколько энергии в среднем тратит взрослый человек каждый день? На каждой этикетке в супермаркете вы увидите, что стандартная американская диета составляет 2000 калорий в день – и это неправильно. Девятилетние дети тратят 2000 калорий; для взрослых эта норма составляет уже 3000 калорий, в зависимости от того, сколько вы весите и какой у вас процент жира (и, чтобы вы понимали, рассуждая о наших ежедневных энергетических потребностях, мы говорит о килокалориях, а не просто калориях). Сколько километров нужно пробежать, чтобы сжечь калории одного съеденного пончика? Как минимум три, но опять же это зависит от того, сколько вы весите. Если уж на то пошло, то куда девается тот жир, который мы «сжигаем»? Думаете, он превращается в тепло, пот, мускулы? Нет, нет и нет. Вы выдыхаете большую его часть в виде углекислого газа и превращаете небольшую долю в воду (но не обязательно в пот). Если вам это было неизвестно, ничего страшного, вы взяли в руки правильную книгу. Большинство врачей, кстати, тоже этого не знает.

Без сомнения, мы стали невеждами в области расчета энергии из-за пробелов в обучении. Человеческий мозг просто отторгает информацию, которую не использует. Когда трое из четырех американцев не могут назвать три ветви власти федерального правительства США – важную информацию, которую мы впитываем на протяжении почти 20 лет обучения в школе и университете, – это вызывает сомнения в том, что они вспомнят более сложные моменты из школьной биологии, например цикл Кребса[6]. Но наше слабое понимание поддерживается и поощряется множеством шарлатанов и интернет-торговцев, продвигающих ложные идеи, как правило, для личной выгоды.

Неосведомленной аудитории, стремящейся оставаться здоровой, вы можете «продать» почти все, что угодно, независимо от того, насколько это абсурдно. «Ускорьте свой метаболизм» – говорят они. «Сжигайте жир с помощью этих простых приемов! Избегайте этих продуктов, чтобы оставаться худым!» – читаем мы на страницах глянцевых журналов. И все это, как правило, не подтверждено никакими реальными данными и не обосновано с научной точки зрения.

Но главная, структурная причина неправильного понимания расходования энергии заключается в том, что мы в корне неверно поняли науку о метаболизме. С самого начала современных исследований этой темы на рубеже XX века нас учили думать о человеческих телах как о простых двигателях: мы получаем топливо в виде пищи и сжигаем его, увеличивая обороты с помощью упражнений. Любое лишнее, несгоревшее топливо накапливается в виде жира. Люди, у которых двигатель работает «быстрее» и которые сжигают больше калорий каждый день, менее склонны к накоплению жира. Если у вас уже появилось немного нежелательного жира, просто больше тренируйтесь, чтобы сжечь его.

Эта модель довольно привлекательна и проста, своего рода инженерный взгляд на метаболизм. И она правильная: наши тела нуждаются в пище, и несгоревшее топливо накапливается в виде жира. Однако все остальное в этой модели в корне неверно. Тела не работают как простые машины по сжиганию калорий, потому что они являются продуктами не инженерии, а эволюции.

Наука только начинает в полной мере понимать, как пятьсот миллионов лет естественного отбора сделали метаболические двигатели невероятно динамичными и адаптируемыми. Наши тела стали очень хитрыми, способными реагировать на изменения в физических упражнениях и диете способами, которые имеют эволюционный смысл, даже если они препятствуют нашим попыткам оставаться подтянутыми и здоровыми. Увеличение уровня физической нагрузки вовсе не приводит к большим затратам энергии, а сжигание большего количества топлива не защищает от ожирения. И все же общественная система здравоохранения упорно настаивает на инженерном взгляде на метаболизм, вредя тем самым усилиям побороть ожирение, диабет, сердечно-сосудистые заболевания, рак и другие болезни, которые, скорее всего, убьют нас.

Без правильного понимания того, как наш организм расходует энергию, мы быстро разочаровываемся, когда видим, что планы по снижению веса терпят крах, стрелка весов упорно отказывается сдвинуться с места, несмотря на искренние усилия в тренажерном зале, а новейшая и самая распространенная магическая теория метаболизма подводит нас.

Эта книга исследует новую, развивающуюся науку о человеческом обмене веществ. Как биолог, интересующийся эволюционным прошлым человека, а также нашими перспективами на будущее, я работаю на передовой в области исследований метаболизма у людей и других приматов уже более десятилетия. Волнующие и удивительные прорывы последних нескольких лет меняют наше понимание взаимосвязи между расходом энергии, физическими упражнениями, диетой и болезнями. На страницах этой книги мы рассмотрим то, как эти открытия могут стать основой долгой и здоровой жизни.

Большая часть этой новой науки появилась в результате работы с хадза и подобными им племенами: маленьким, неиндустриальными обществами, интегрированными в местную экологию. Эти культуры могут многому научить представителей развитого социума, но это не карикатурная версия жизни охотников и собирателей, популяризированная в большинстве современных палеодвижений. За последние несколько лет я и мои коллеги также многое узнали о том, как диета и ежедневная физическая активность помогают этим группам населения избавиться от «болезней цивилизации», которые терзают нас в модернизированных, урбанизированных, индустриальных странах. Мы отправимся в эти племена, чтобы узнать, как они живут, и чему-то у них научиться. Кроме того, мы посетим зоопарки, тропические леса и археологические раскопки по всему миру, чтобы увидеть, как исследования живых обезьян и ископаемых останков людей помогают понять наш процесс обмена веществ.

Но для начала нам нужно получить представление о роли метаболизма в жизни человека. Чтобы по-настоящему оценить важность энергозатрат, мы должны выйти за рамки повседневных проблем со здоровьем и болезней. Подобно тектоническим плитам земли, метаболизм – это невидимая основа всего, медленно изменяющаяся и очерчивающая нашу жизнь. Знакомая нам география человеческого существования – от первых девяти месяцев в утробе матери до восьмидесяти лет, которые мы могли бы прожить на этой планете, – формируется специальными двигателями, работающими внутри нас. Наш большой умный мозг и многометровый кишечник построены и приводятся в действие метаболическими механизмами, сильно отличающимися от тех, которые есть у наших сородичей-обезьян. Как мы поняли только недавно, эволюционировавший метаболизм сделал нас причудливым и удивительным видом, каким мы стали сегодня.

Собачьи годы

Una miaka ngapi?[7]

Я разговаривал с представителем хадза, которому было тогда около двадцати лет, и задавал ему вопросы в рамках ежегодной исследовательской работы по сбору базовой медицинской информации в племенах, которые мы посещаем. Я изо всех сил старался говорить на сносном, хотя и некрасивом суахили: сколько тебе лет?

Он выглядел смущенным. Может быть, я все неправильно понял? Я попробовал еще раз.

Una miaka ngapi?

Он улыбнулся. «Unasema. Это ты мне скажи».

Оказалось, что с моим суахили все было в порядке, а вот вопрос был глупым. Для меня, типичного, вечно все планирующего американца, одним из самых ярких культурных потрясений является незаинтересованность хадза временем. Не то чтобы они вообще не считаются с ним – охотники живут согласно световому и ночному дню, теплу и прохладе, лунному циклу, сезонным дождям и засухе. Они полностью осознают рост и процесс старения, а также культурные и физиологические вехи, которые определяют нашу жизнь. После десятилетий визитов исследователей и других аутсайдеров у них даже появилось ощущение западных мер времени, минут и часов, недель и лет. Хадза все понимают, просто им все равно. Они не заинтересованы в том, чтобы вести какие-то подсчеты. В Хадзалэнде нет часов, календарей или расписаний, дней рождения, понедельников. Знаменитая фраза Сэтчела Пейджа[8] «Сколько бы тебе было лет, если бы ты не знал, сколько тебе лет?» – это не просто интроспективная рефлексия для этого социума. Это повседневная жизнь. Для исследователей выяснить возраст каждого человека в племени – это как чистка зубов: необходимая, раздражающая и несколько болезненная работа.

Безразличие хадза к возрасту и времени было бы скандальным в Соединенных Штатах, где каждый родитель знает, как будет развиваться его ребенок в ближайшие несколько лет, а наши права и обязанности определяются именно возрастом. Пойдет в год, начнет разговаривать – в два, ходить в детский сад – в пять, вступать в половую зрелость – в тринадцать, повзрослеет в восемнадцать, а в двадцать один вы сможете вместе с ребенком отпраздновать его переход во взрослую жизнь законным спиртным напитком. Затем брак, дети, менопауза, выход на пенсию, старость и смерть – все по расписанию, чтобы не давать окружающим повода для пересудов. И хотя мы рассуждаем об этапах развития милленниалов или, наоборот, пусть взросление нам будет так же безразлично, как и для хадза, темп человеческой жизни – это одна из великих универсалий, успокаивающий ритм, который мы все вместе разделяем.

И все же темп человеческой жизни можно назвать как угодно, но только не присущим каждому виду. Когда речь заходит о нашем жизненном цикле, о том, с какой скоростью мы растем, размножаемся, стареем и умираем, человек оказывается вне рамок животного мира. Все происходит как в замедленной съемке. Если бы люди жили как типичные млекопитающие нашего размера, мы достигали бы половой зрелости до двух лет и умирали к двадцати пяти. Женщины бы рожали по двухкилограммовому младенцу каждый год. У шестилетнего ребенка уже были бы внуки. Повседневная жизнь стала бы неузнаваемой.

У нас есть интуитивное, культурное чувство того, насколько люди странные, но благодаря антропоцентрическому мировоззрению мы все переворачиваем с ног на голову. Наши питомцы, следуя обычному «режиму» млекопитающих, живут, как нам кажется, в ускоренном темпе. Мы говорим, что один собачий год равен нашим семи, так, будто они странные животные, которые отличаются от других. Но на само деле все не так: это люди странные. Попробуйте поступить наоборот: рассчитайте, сколько вам «собачьих» лет, и осознайте свою уникальность. По этим меркам мне почти три века, и я чувствую себя довольно хорошо, учитывая обстоятельства.

Биологи, изучающие жизненный цикл, давно знают, что темп жизни – это не просто какой-то произвольный или фиксированный график, созданный высшими силами. Темп роста, рождаемость и скорость старения видов могут изменяться и изменяются в эволюционных масштабах времени. Мы также знаем, что у людей и других приматов (наша родственная семья, которая включает лемуров, обезьян) исключительно длинный жизненный цикл по сравнению с другими млекопитающими. У нас даже есть довольно хорошая догадка, почему приматы так медленно эволюционировали. Условия, в которых виды с меньшей вероятностью могут быть убиты хищником или другим злоумышленником, благоприятствуют медленной и размеренной жизни.

Таким образом, мы знали, что у приматов, в том числе у нас, был очень длинный жизненный цикл, вероятно, в результате сниженного показателя смертности в далеком прошлом (возможно, способность жить на деревьях обезопасила наших предков от хищников). Чего никто не мог понять, так это «как?». Как люди и другие приматы умудрялись все замедлять, останавливая скорость развития и продлевая жизнь? Возможно, это как-то связано с метаболизмом, поскольку рост и размножение требуют энергии, о чем мы поговорим в Главе 3. Но какая тут связь? Это было неясно. Поиск ответа приведет нас в зоопарки и места обитания приматов по всему земному шару, раскрывая эволюционные изменения в обмене веществ, которые сделали «нормальную» жизнь такой необычной.

Планета обезьян

Обезьяны и приматы умны, милы и невероятно опасны. Оценки варь ируются, но можно с уверенностью сказать, что человекообразные обезьяны примерно в два раза сильнее людей. У большинства видов есть длинные, похожие на копья клыки, которые они используют для устрашения и которыми иногда калечат друг друга. Находясь в неволе, они просто счастливы использовать свои таланты для уничтожения людей, особенно когда пребывают в плохом настроении. И кто из нас не будет скучать, раздражаться, может быть, даже немного обижаться, проводя жизнь в медицинской лаборатории, ужасном зоопарке или гараже какого-нибудь идиота? Мы видим обезьян по телевизору (теперь, к счастью, реже) и верим в то, что они очаровательны. Однако это всего лишь детеныши, маленькие и достаточно наивные, и люди могут справиться с ними, применив силу, если понадобится. К десяти годам обезьяны становятся непредсказуемыми, особенно в неволе: в одну минуты они могут быть расслабленными и спокойными, а в другую уже раздирают вам лицо или даже яички. Склонность милых детей-актеров превращаться в импульсивных, разрушительных злодеев – это еще одна общая черта людей и обезьян.

Зная все это, я был в полном недоумении от того, что увидел. Это было в конце лета 2008 года, когда я был в научно-исследовательском центре Great Ape Trust в штате Айова, наблюдая за происходящим через маленькое окошко в двери в зоне доступа к обезьянам. Там Роб Шумейкер спокойно наливал воду с двойной маркировкой[9], смешанную с чаем со льдом без сахара, в широко открытый рот Ази, 110-килограммового взрослого самца орангутанга с лицом, похожим на перчатку кэтчера[10]. Он мог разорвать ученого на части. Роб не был идиотом, и, конечно, между ним и обезьяной стоял стальной забор. И все же Ази, казалось, наслаждался угощением, и в его глазах было что-то вроде дружелюбия. Многие исследователи приматов снова и снова убеждали меня, что то, что я наблюдаю, невозможно: ни одна обезьяна в неволе не захочет участвовать в эксперименте, даже таком безобидном, как этот, а руководитель подобного центра не будет настолько самоуверенным или глупым, чтобы попытаться это сделать. И все же Робу удалось напоить животное этой жидкостью с двойной меткой так же легко, как если бы он просто поливал комнатное растение.

Мой шок был усилен волнением от того, что я делаю что-то действительно новое. Это было бы первым в истории измерением суточного расхода энергии (общего количества килокалорий, сжигаемых в день) у обезьяны. Редко выпадает шанс сделать что-то действительно новое в науке или быть первым человеком, который сможет измерить какой-то важный показатель. А это было очень важно. Впервые мы собирались всесторонне изучить механизм метаболизма обезьяны. Похож ли он на наш? Или на обмен веществ других млекопитающих? Или же под рыжей шкурой орангутанга скрывалось что-то новое и волнующее?

Я постарался умерить свои ожидания, понимая, что мы можем не найти ничего интересного. На протяжении ста лет ученые изучали скорость основного обмена – количество калорий, сжигаемых в минуту, когда испытуемый находится в состоянии полного покоя (см. Главу 3). В 1980-х и 1990-х годах несколько исследований проверили идею о том, что большая продолжительность жизни приматов была связана с медленным обменом веществ и, следовательно, низкой скоростью основного обмена. Некоторые сторонники этой гипотезы, например Брайан Макнаб, утверждали, что почти все аспекты жизни и изменения рациона питания млекопитающих взаимосвязаны и напрямую зависят от этого показателя. Это была привлекательная идея, поскольку рост и размножение требуют энергии, а стремительный темп жизни, по-видимому, требует быстрого метаболизма. Но более строгий статистический анализ убил прекрасную идею Макнаба, показав, что у приматов была нормальная, ничем не примечательная для млекопитающих скорость основного обмена – и ничто не могло объяснить их необычно длительную продолжительность жизни. На этих результатах были основаны и другие эксперименты, благодаря которым ученым удалось прийти к консенсусу: люди, обезьяны, другие приматы и даже остальные млекопитающие по своей сути устроены одинаково (по крайней мере, когда дело касается метаболизма). Виды были просто по-своему сформированы, как машины с разными кузовами, но с одними и теми же двигателями.

Я усвоил общепринятую точку зрения, когда учился в колледже Пенсильвании в 1990-х, а потом в аспирантуре Гарвардского университета в 2000-х годах, и добросовестно применял полученные знания в части моей диссертационной работы. Но, как и большинство ученых, я был заведомо настроен скептически, и у меня начали возникать еретические мысли. Принято считать, что расход энергии у млекопитающих был в основном одинаковым и основывался на скорости основного обмена – это казалось мне вопиющей проблемой. Этот показатель измеряется тогда, когда субъект находится в состоянии покоя (почти спит), и поэтому он не может точно определить количество калорий, сжигаемых организмом каждый день. Кроме того, скорость основного обмена сложно оценить правильно. Если испытуемый возбужден, или замерз, или болен, или молод и растет, показатель может повышаться – и неудивительно, что большая часть данных о приматах была получена благодаря исследованию молодых послушных обезьян.

Рис. 1.3. Первое измерение суточного расхода энергии у обезьяны. Сквозь тяжелую ограду Роб Шумейкер выливает в рот Ази воду с двойной маркировкой, смешанную с холодным чаем без сахара (нечеткий профиль Ази едва виден справа). Позже он собирает образец мочи, когда орангутанг цепляется за ограждение лапами.

Немногие ученые занимались захватывающей работой по измерению ежедневных энергетических затрат (общего количества калорий, сжигаемых в день, а не только скорости основного обмена) у различных видов животных, используя сложную изотопную методику, называемую методом дважды меченой воды (см. Главу 3). Их исследования показали, что расход энергии у млекопитающих сильно различается и, по-видимому, отражает их эволюцию. Я начал задумываться об этом. Что, если у людей и других обезьян разные метаболические механизмы? Что делать, если ежедневные затраты энергии различаются? Что это может сказать нам об эволюционном жизненном цикле человека, обезьяны и остальных приматов? К сожалению, работа с обезьянами и другими приматами – это такая огромная проблема, что казалось маловероятным, что мы когда-либо получим данные, необходимые для решения этих критически важных вопросов.

Первая поездка в Great Ape Trust стала для меня откровением. У них было два огромных, ультрасовременных объекта, один для орангутангов Роба, другой для бонобо, оба с обширными закрытыми и открытыми площадками, штатным персоналом и интегрированными исследовательскими центрами. Благополучие и качество жизни обезьян стояли на первом месте. Исследовательские проекты были разработаны таким образом, чтобы быть привлекательными и забавными для животных или, по крайней мере, стать частью их повседневной жизни, а не навязыванием. Об агрессивных, болезненных или иных вредных вмешательствах не могло быть и речи.

В какой-то момент своего визита я начал разговаривать о методе дважды меченой воды, метаболизме и эволюции людей и других приматов и о том, что было бы так здорово измерять ежедневные затраты энергии у обезьян, ведь никто никогда этого не делал. Я объяснил Робу, что эти методики абсолютно безопасны и постоянно используются в исследованиях питания человека. Мы могли бы даже узнать что-то практическое об управлении рационом и потреблении калорий обезьянами в неволе! Приматам просто нужно было бы выпить немного воды, а затем мы должны были собирать образцы мочи каждые два дня в течение недели или около того. Есть ли шанс, что мы сможем сделать это здесь с орангутангами?

– Конечно, – говорит Роб, – мы довольно регулярно собираем образцы мочи у большинства орангутангов для проверки здоровья.

– Вау! Правда? Как? – спрашиваю я. Это звучало слишком здорово, чтобы быть правдой.

– Мы просто попросим их, – говорит Роб. Мы болтали у забора одной из открытых площадок. Роб смотрит на Рокки, четырехлетнего самца орангутанга, который параллельно играл, отдыхал и в то же время поглядывал на нас. «Рокки, подойди сюда», – попросил Роб, но не так, как будто зовет собаку, а как будто разговаривает с племянником. Он подошел к забору рядом с нами. – Покажи мне свой рот, – сказал Роб, и Рокки широко раскрыл его. – А как насчет уха? – и он приложил ухо к забору. – А теперь другое? – и примат повернул голову и показал нам второе. – Спасибо! – поблагодарил Роб, и Рокки убежал играть дальше.

– Мы также можем попросить их пописать в чашку, – говорит Роб, пока я стою, воодушевленный разговором обезьян и людей, который только что наблюдал. – Есть только одно «но»…

– Да? «Боже, вот оно, – подумал я, – проверка на реальность. Вот так все и полетит к чертям»…

– Ничего, если часть пробы мочи прольется?

– Никаких проблем, – сказал я, – пока у нас есть хотя бы несколько миллилитров для анализа…

– Хорошо, – сказал Роб. – Потому что Кноби, одна из наших взрослых самок, всегда настаивает на том, чтобы держать свой стаканчик самостоятельно, ногой.

В тот момент я чувствовал себя Дороти, проснувшейся в стране Оз. Я больше был не в Канзасе. Каким-то образом я очутился в Айове, разговаривал с волшебником, а жевуны[11] были оранжевыми, волосатыми и четырехрукими[12].

Ленивец на генеалогическом древе

Позже той же осенью, после того как изотопы были введены и все образцы собраны, я отправил коробку с мочой орангутанга Биллу Вонгу, профессору из отдела исследований Детского центра питания в Медицинском колледже Бейлора. Билл – настоящий эксперт в области обмена веществ и метода дважды меченой воды, и он с радостью помог мне организовать мой проект под названием «Орангутанг», определив необходимую дозу и график сбора образцов мочи. После десятилетий плодотворной и интересной работы в области питания и метаболизма человека Билл, казалось, наслаждался перспективой на время переключиться на обезьян.

Его электронное письмо с предварительными результатами было первым доказательством того, что мы нашли что-то интересное. Данные выглядели великолепно, писал Билл, но анализы показали, что орангутанги имеют низкие ежедневные затраты энергии. Очень низкие. Ученый попросил меня прислать все образцы, которые у меня были (мы собрали больше, чем требовалось для исследования), чтобы он мог просмотреть их все снова, бесплатно. Он хотел убедиться, что все цифры верны.

Орангутанги удивительно ленивы – по сравнению с человеком они потребляют гораздо меньше калорий в пересчете на массу тела.

Еще один круг повторных анализов – тот же результат. Орангутанги каждый день сжигали меньше калорий, чем люди. Разница была огромной. Ази, 110-килограммовый самец, сжигал 2050 килокалорий в день – столько же, сколько 29-килограммовый девятилетний ребенок. Взрослые самки, весившие 55 кг, тратили еще меньше энергии: 1600 килокалорий в день, что примерно на 30 % меньше, чем ожидалось для человека с такой массой тела. Неудивительно, что скорость основного обмена орангутангов также была низкой, намного ниже человеческой. Мы тщательно следили за ежедневной деятельностью обезьян на протяжении эксперимента, и все они были так же активны, как и орангутанги в дикой природе. (Читайте: не очень активны. Орангутанги удивительно ленивы.) Низкие ежедневные затраты энергии не были результатом жизни в неволе. Они говорили нам о том, что в эволюционировавшей физиологии орангутангов есть что-то фундаментально важное.

Любой ученый живет ради этого момента. Мы буквально зачерпнули мерным стаканом неизвестные воды и обнаружили нечто неожиданное. Общепринятые постулаты о метаболизме приматов оказались ошибочными, по крайней мере частично. Оказалось, что между скоростью обмена веществ наших родственников-обезьян и человека существует значительная разница. Люди и орангутанги являются потомками одного обезьяноподобного предка, жившего около восемнадцати миллионов лет назад. Однако за прошедшие тысячелетия эволюция сделала разным метаболизм наших двух линий. Люди и обезьяны отличаются не только формой и пропорциями. Оказалось, что внутри мы тоже другие.

Но настоящий сюрприз меня ждал только тогда, когда я сравнил энергетические затраты орангутангов с другими животными: грызунами, плотоядными, копытными… В общем, с каждым видом плацентарных млекопитающих, энергозатраты которых изучались и были опубликованы (кроме, конечно, сумчатых, таких как коалы или кенгуру, потому что у них и так достаточно странная физиология). Поразительно, но орангутанги расходовали лишь треть от общего количества энергии, которое тратят плацентарные млекопитающие их размера. Только 1 % плацентарных млекопитающих сжигает так же мало калорий. Единственными видами с еще меньшими затратами на аналогичный размер тела оказались трехпалые ленивцы и панды.

Все, что мы знали о середе обитания и биологии орангутангов, казалось, встало на свои места. У них чрезвычайно длинный жизненный цикл, даже по меркам приматов. В дикой природе самцы не достигают зрелости, а самки не рожают первого ребенка, пока им не исполнится пятнадцать лет. Последние размножаются невероятно медленно, с промежутком между беременностями от семи до девяти лет, что является самым длинным интервалом между появлением потомства по сравнению с любыми другими млекопитающими. Они также постоянно сталкиваются с непредсказуемой нехваткой пищи в родных индонезийских тропических лесах. Жизнь орангутангов зависит от фруктов, но бывают месяцы, когда плодов так мало, что им приходится срывать кору с деревьев и соскребать зубами мягкий внутренний слой, чтобы прокормиться. Нехватка еды, по-видимому, влияет на их социальное поведение, поскольку они – единственный вид обезьян, который предпочитает жить в одиночку, потому что им не всегда хватает пищи, чтобы прокормить целую группу.

Медленный метаболизм орангутангов связывал эти наблюдения воедино с их эволюционировавшей физиологией. Это также имело важные последствия для выживания вида. Жизнь в непредсказуемом тропическом лесу, где голод был постоянной угрозой, привела к такой адаптации, которая сводила к минимуму ежедневную потребность в энергии. Их метаболические двигатели эволюционировали, чтобы работать медленно, экономя топливо для защиты от истощения и смерти. Но последствия были суровыми: рост и размножение требуют энергии, а более медленный метаболизм неизбежно приводит к более длительному жизненному циклу. Это, в свою очередь, означает, что популяции орангутангов нужно больше времени на восстановление после природных или техногенных катастроф. Медленный метаболизм, элегантное эволюционное решение сложной окружающей среды, сделал орангутангов более уязвимыми к вымиранию перед лицом разрушения среды обитания и других вмешательств со стороны человека.

Первые измерения суточного расхода энергии у обезьяны открыли новый мир метаболической эволюции, имеющий большое значение для экологии, здоровья и выживания. Что мы могли обнаружить? И как в эту картину вписывались люди? Имея на руках результаты анализов только небольшой горстки приматов, мы не знали ответов на все эти вопросы. Нам нужно было больше данных, от большего числа видов всего генеалогического древа приматов.

Сила приматов

Проект по изучению энергообмена у приматов длился несколько лет, и в нем участвовало более дюжины сотрудников. Мы буквально соединяли частицы информации для получения результатов. Брайан Хэйр, специалист по когнитивным способностям обезьян и мой старый школьный друг, работал в двух обезьяньих заповедниках в Африке, Центре реабилитации шимпанзе Чимпунга в Республике Конго и Лола Я Бонобо в Демократической Республике Конго. (Примечание для путешественников: знайте, о каком Конго вы говорите. В одном довольно опасно, в другом – чрезвычайно.) Как и Фонд Great Ape Trust, они были первыми учреждениями по изучению приматов, которые проводили исследования только в том случае, если это было безопасно и полезно для шимпанзе и бонобо. Примерно в то же время Митч Ирвин, приматолог и защитник природы, работающий на Мадагаскаре, согласился включить измерения энергии в ежегодную оценку состояния здоровья диких диадемовых сифак.

Но исследование действительно сдвинулось с мертвой точки, когда я встретил Стива Росса, директора Центра изучения и сохранения обезьян в зоопарке Линкольн-парка в Чикаго. Ученый был невероятно дружелюбным, позитивным и отзывчивым парнем, ведь он канадец. В дополнение к своей природоохранной работе и исследованиям горилл и шимпанзе в зоопарке Линкольн-парка Стив посвятил свою жизнь перевозке обезьян, которые влачат унылое существование в лабораториях, придорожных цирках, гаражах и других островках нищеты, в хорошие зоопарки и заповедники. Он неустанно, но, заметьте, успешно работал над тем, чтобы обеспечить шимпанзе в Соединенных Штатах такую же федеральную защиту, какой пользуются гориллы, бонобо и орангутанги. Стив – просто герой.

Благодаря сотрудничеству с ним мы смогли добавить к проекту горилл, черно-зеленых мартышек, гиббонов и шимпанзе из зоопарка Линкольн-парка. Проект метода дважды меченой воды разошелся по всему земному шару, в Чикаго, оба Конго и на Мадагаскар, и образцы мочи медленно, но верно присылались нам для дальнейшего анализа. С помощью нескольких опубликованных измерений из других лабораторий мы смогли оценить разнообразие энергетических затрат во всем семействе приматов, от крошечных мышиных лемуров весом меньше 50 граммов до гигантских 210-килограммовых серебристых горилл. У нас даже были специальные условия для изучения: лаборатории, зоопарки, заповедники и сама дикая природа. К 2014 году мы собрали все данные. Отличались ли метаболические механизмы приматов от механизмов других млекопитающих?

Результаты оказались поразительными. Приматы сжигают в два раза меньше калорий, чем другие плацентарные млекопитающие. Чтобы выразить это в понятных для человека цифрах, предположим, что нормальные ежедневные затраты энергии для взрослых людей составляют от 2500 до 3000 килокалорий в день (мы подробнее обсудим это в Главе 3). Исследование показало, что типичное плацентарное млекопитающее нашего размера сжигает более 5000 килокалорий в сутки. Это ежедневные энергетические затраты олимпийских спортсменов на пике подготовки! Но это не означает, что другие животные невероятно активны – они проходят не более трех километров в день и тратят большую часть времени на еду и отдых. Их тела просто сжигают энергию быстрее, намного стремительнее, чем может выдержать замедленный метаболизм обезьян.

Наконец-то мы получили ответ на вопрос, почему у людей и других приматов такой длинный жизненный цикл. Около шестидесяти миллионов лет назад, в начале эволюции наших предков, произошло значительное сокращение энергетических затрат. Метаболические двигатели приматов замедлились до половины скорости обмена веществ других плацентарных млекопитающих. Была ли эта революция в обмене веществ вызвана давлением естественного отбора на жизненный цикл, или же виной были изменения в диете или окружающей среде, которые замедлили наш метаболизм и оказали значительное влияние на рост, размножение и старение – ответ на этот вопрос до сих пор остается неясным. Что нам точно известно, так это то, что глобальность эволюционных изменений метаболизма приматов точно соответствует трансформации цикла жизни. Медленные темпы роста, размножения и старения – это именно то, чего мы от них ожидаем, учитывая низкие ежедневные затраты энергии. Сегодня люди и другие приматы, обладатели этого метаболического наследия, живут дольше и медленнее, чем другие млекопитающие.

Метаболические механизмы приматов сильно отличаются от других млекопитающих – приматы сжигают в два раза меньше калорий.

Это довольно странно, но мы, как и многие исследователи до нас, обнаружили, что скорость основного обмена приматов была схожа с показателями других млекопитающих, хотя ежедневные затраты энергии у них резко различались. Мы полагаем, что несоответствие между этой скоростью и суммарным ежедневным расходом отражает большой размер мозга приматов (этот орган потребляет много топлива). И, следует отметить, связь между метаболизмом и жизненным циклом остается активно изучаемой и противоречивой областью исследований. Мы рассмотрим эти и другие темы в Главе 3 и в других разделах. А теперь давайте обратим внимание на последнюю загадку в развитии обмена веществ у приматов, которая будет обсуждаться на протяжении всей этой книги, – эволюционировавшую метаболическую стратегию нашего вида.

Это мы

Анализируя результаты проекта по изучению метаболизма приматов, мы строили планы относительно более крупных открытий. Исследование орангутангов и других обезьян показало, насколько изменчива скорость обмена веществ в течение эволюционного времени и насколько тесно она связана со средой обитания и жизненным циклом. Таким образом, ключевой вопрос заключался в следующем: что расход энергии может рассказать нам о нашей эволюции? Общепринятое мнение, как я уже упоминал ранее, состояло в том, что ежедневные затраты энергии были одинаковыми у обезьян и людей и не сильно различались у представителей нашей родословной линии.

Знаковым исследованием, формулирующим эту идею, является статья Лесли Айелло и Питера Уилера, написанная в 1995 году. Они собрали все измерения размеров органов человека и других обезьян из более ранних работ, отметив, что у человека мозг больше, а печень и кишечник меньше, чем у обезьян. Не у всех мозг расходует одинаковое количество энергии. Мозг, кишечник и печень являются самыми энергозатратными органами – каждый грамм их тканей сжигает тонну калорий, потому что клетки в этих органах невероятно активны (мы поговорим об этом подробнее в Главе 3). Айелло и Уилер провели расчеты и обнаружили, что у людей энергия, сэкономленная за счет меньшего размера кишечника и печени, полностью компенсирует затраты нашего крупного мозга. Основываясь на этом важном факте, а также на наблюдении, что скорость основного обмена человека и обезьяны в целом похожи на показатели других млекопитающих, ученые утверждали, что критические метаболические изменения в нашей эволюции произошли пропорционально: увеличивая количество калорий, направляемых в мозг, и уменьшая энергию, необходимую для работы кишечника. В этом случае ежедневный расход остается неизменным. Люди тратят не больше энергии, чем обезьяны, они просто тратят ее по-другому.

Эволюционные компромиссы (например схема переключения основного потока энергии из кишечника в мозг, обнаруженная Айелло и Уилером) являются краеугольным камнем современной биологии. Как заметил сам Чарльз Дарвин, опираясь на труды Томаса Роберта Мальтуса, между обитателями природного мира всегда идет борьба за ресурсы: их никогда не хватает. Следовательно, все виды эволюционируют в условиях дефицита. Вы не можете ни съесть торт, ни оставить его на потом. Если в ходе естественного отбора появляются некоторые особенности, скажем, большая голова, полная отвратительных зубов, и мощные задние лапы, другим нужно пожертвовать, например длинными передними конечностями… и вуаля, у нас есть тираннозавр рекс. Или, как выразился Дарвин в «Происхождении видов» (цитируя Гете): «Природа вынуждена экономить в одном направлении, чтобы расходовать в другом».

Идея о том, что мозг и кишечник перераспределили энергию между собой, была выдвинута еще в 1890-х годах Артуром Кизсом после исследований приматов в Юго-Восточной Азии. Он даже попытался показать, что в этом кроется причина различия в размерах мозга человека и орангутанга, однако ученый опередил свое время и математически еще не мог доказать эту теорию. Имея лишь рудиментарное представление об изменении размеров органов в зависимости от общих пропорций тела у млекопитающих, он не смог показать предполагаемого обмена энергией между мозгом и кишечником. Однако на протяжении XIX века идея Артура Кизса все время лежала на поверхности. Например, можно вспомнить Катарину Милтон, антрополога с ценным опытом в области питания, – она десятилетиями работала с людьми и другими приматами в Центральной и Южной Америке (и именно она первой применила метод дважды меченой воды во время исследования диких обезьян-ревунов еще в 1978 году). Милтон доказала, что у приматов, питающихся листьями, кишечник больше мозга. Это объясняется тем, что им необходимо правильно переваривать волокнистую пищу, которую они едят. У видов, которые питались фруктами в тех же лесах, наоборот, был большой мозг и маленький кишечник. Карел Ван Шайк и Карен Айлер из Цюрихского университета провели большое количество исследований в 2000-х и 2010-х годах, доказывая, что цена большего мозга может даже помочь объяснить эволюционные различия жизненного цикла у приматов.

Но как бы ни были важны компромиссы нашего организма, есть основания полагать, что их недостаточно, чтобы объяснить полный набор энергетически важных черт, которые делают человека уникальным. Как мы обсудим в Главе 4, люди растут медленнее и живут дольше, чем любой другой примат, но каким-то образом находят энергию, чтобы размножаться быстрее, чем любой из них. Мы обладаем большим и энергозатратным мозгом, а еще ведем физически активный образ жизни (по крайней мере, те из нас, кто не избалован современными технологиями). Люди также вкладывают больше средств в поддержание своего организма и живут дольше, чем другие обезьяны. Каким-то образом, нарушая естественный порядок течения жизни, который строится на компромиссах, homo sapiens изменился, чтобы получить все эти качества.

Мы предполагали, что набор энергетически затратных человеческих адаптаций можно объяснить ускоренным метаболическим двигателем, эволюционировавшим, чтобы сжигать больше калорий каждый день. В нашем распоряжении было много данных о людях, но нам нужны были измерения, полученные от обезьян, чтобы сравнить их должным образом. Мы со Стивом Россом разработали план привлечения зоопарков по всей территории Соединенных Штатов. В течение нескольких месяцев мы работали с учреждениями по всей стране, составляя графики сбора данных. Мы наняли Мэри Браун, стажерку зоопарка Линкольн-парка, почти такую же жизнерадостную и неудержимую, как Стив, чтобы она ездила по местам содержания приматов (всего их было 14) и координировала процесс сбора информации об обезьянах, которую мы получали. Вскоре моча стала чем-то сродни жидкому золоту для нас.

Результаты оказались даже более многообещающими, чем мы надеялись. Мы обнаружили, что у всех четырех представителей рода человекообразных обезьян (шимпанзе и бонобо, гориллы, орангутанги и люди) были разные ежедневные энергетические затраты. Люди показали самый высокий результат – мы расходуем примерно на 20 % больше энергии, чем шимпанзе и бонобо, на 40 % больше, чем гориллы, и на 60 % больше, чем орангутанги, учитывая различия в размерах тела. Скорость основного обмена тоже отличалась, но в тех же пропорциях. Столь же шокирующими были колебания в жировых отложениях. У выбранных нами людей жировой ткани было в два раза больше (23–41 %), чем у других обезьян (9-23 %). Орангутанги были самыми упитанными, а вот шимпанзе и бонобо считались даже тощими. Как мы обсудим в главе 4, вполне вероятно, что увеличение количества жира в теле происходило параллельно с ускорением метаболизма, обеспечивая больший запас топлива для защиты от голода.

Эти различия в обмене веществ и жировых отложениях не были вызваны уровнем двигательной активности: для эксперимента мы специально отобрали людей, ведущих сидячий образ жизни, и сравнивали их с обезьянами, живущими в стенах зоопарка. Различия крылись глубже – в основе каждого вида. На протяжении эволюционной истории скорость метаболизма постоянно замедлялась или ускорялась, как конфорка на плите. Такие изменения в обмене веществ были продиктованы окружающей средой: доступностью пищи, хищниками или… чем-то еще? Что касается орангутангов, то мы вполне уверены, что их медленный метаболизм и способность накапливать жир являются эволюционной реакцией на нехватку еды, что помогает им поддерживать ежедневную потребность в энергии на низком уровне и сохранять значительный ее запас в виде жира. А вот метаболические вариации у африканских обезьян – шимпанзе, бонобо и горилл – это все еще не разгаданная тайна.

При учете разницы в размерах, люди тратят максимальное количество энергии в сравнении с человекообразными обезьянами.

На протяжении человеческого развития наши клетки эволюционировали, чтобы работать усерднее, делать больше и сжигать больше энергии. Кроме того, эти метаболические адаптации также вызвали другие серьезные изменения в работе человеческого организма: как работает наше тело, как мы себя ведем и многое другое (к этим вопросам мы вернемся в последующих главах). Расход энергии увеличивался параллельно изменению рациона питания, а также тому, каким образом мы добывали, готовили еду и делились ею. Более быстрый метаболизм развивал способность накапливать жир. Сегодня наш эволюционировавший обмен веществ задает лимиты во всем: от спорта и исследований до беременности и роста. И, конечно, эти фундаментальные изменения в том, как человек тратит энергию, были решающими в развитии нашего большого мозга и уникального жизненного цикла. Да, компромиссы были важны, но именно эволюционировавший метаболизм сделал нас людьми.

Дарвиновский взгляд

Именно волнение от этих открытий и грядущие научные приключения неумолимо влекли меня в лагерь хадза, спрятанный в отдаленных холмах Тлиика на севере Танзании, где я слушал львиный хор и измерял затраты энергии. Наша работа с обезьянами и остальными приматами буквально перевернула устоявшиеся научные представления, доказав, насколько радикально эволюция изменила метаболические стратегии человека и других обезьян. Что бы мы обнаружили, если бы обратили внимание на наш вид и исследовали, как люди разных культур, с совершенно непохожим образом жизни, расходуют энергию? Чему мы могли бы научиться, работая с такими племенами, как хадза, которые живут во многом как наши общие предки, охотники и собиратели? В то время, ночуя в палатках и занимаясь наукой в саванне, мы даже подумать не могли, что наши исследования племени хадза станут таким прорывом, что изменят все представления о взаимосвязи между метаболизмом и образом жизни.

В следующих главах мы рассмотрим расход энергии, физические упражнения и рацион питания с эволюционной точки зрения, представив современные болезни и метаболические нарушения в ином свете, чем на обложках журналов о здоровье или книг о правильном образе жизни. Наши метаболические двигатели создавались на протяжении миллионов лет эволюции не для того, чтобы гарантировать нам идеальное тело для пляжа, поддерживать нас в форме или даже обязательно сохранять здоровье. Вместо этого обмен веществ был сформирован дарвиновской установкой выживать и размножаться. Вместо того, чтобы держать нас в форме (как это предсказывает инженерная модель метаболизма), наш более быстрый обмен веществ привел к тому, что мы как вид накапливаем больше жира, чем любая другая обезьяна. Но это не единственное противоречивое и контрпродуктивное свойство, приобретенное в ходе естественного отбора. Как мы обсудим далее, метаболизм также реагирует на изменения в физических упражнениях и диете таким образом, что порой может мешать похудеть. И, кроме того, тяга к еде не имеет границ (как мы увидим это на примере племени хадза). Если аппетит приводит к тому, что мы готовы обворовать прайд грозных львов, то как можно держаться подальше от холодильника?

Эволюционная перспектива абсолютно необходима, чтобы избавиться от таких заболеваний, как ожирение. В развитом мире мы построили роскошные «сады», где все продукты доступны по щелчку пальцев и нам не нужно напрягаться, чтобы получить их. Тела, которые эволюционировали, чтобы двигаться весь день, расслабленно и безвольно сидят в удобных креслах и на диванах, смотря на мир через яркие экраны. И все это время растет количество болезней: ожирения, диабета, сердечно-сосудистых заболеваний, рака, когнитивных нарушений – и их жертв. Количество болеющих людей увеличивается, и каждая из этих патологий тесно связана с тем, как мы получаем и расходуем энергию. И, конечно же, для того, чтобы спастись от этих недугов, необходимо лучше понять, как работает наш организм и как взаимосвязаны расход энергии, физические упражнения и питание. Чем скорее мы выйдем за рамки упрощенного инженерного взгляда на метаболизм и примем дарвиновскую точку зрения, тем больше у нас будет шансов на здоровую и счастливую жизнь.

Итак, давайте рассмотрим механизмы наших метаболических двигателей, чтобы понять, как они работают. Если мы хотим эффективно управлять эволюционировавшим обменом веществ, нам нужно осознать принципы его действия.

«Как музыка попадает в радио?» Это был не тот вопрос, который я ожидал услышать. Брайан Вуд и я, а также его жена Карла и наш полевой сотрудник Хериет только что закончили разбивать палатки под низкими акациями неподалеку от лагеря хадза, на просторной засушливой равнине, которая отделяет озеро Эяси от скалистых холмов Тлиика. Мы с Брайаном отдыхали в походных креслах, стоящих на пыльной земле, болтая о работе в сером предвечернем свете. Двое мужчин хадза, Багайо и Гига, сидели на земле неподалеку и, судя по всему, горячо спорили на своем языке. У них был маленький радиоприемник на батарейках, ценное владение в Хадзалэнде, где возможности развлечений ограничены. В какой-то момент они решили вовлечь нас в свой разговор, перейдя на суахили, чтобы задать вопрос. Но мы с Брайаном, должно быть, оба выглядели озадаченными, потому что Багайо снова спросил:

«Как музыка попадает в радио?»

Черт, мы ведь должны это знать…

Знакомство с новыми идеями и знаниями – одна из лучших вещей, которую нам дают путешествия, а в случае с экспедицией в племя хадза мы не только сами узнали много нового, но и многому научили их. Их глубокое понимание природы поражает воображение. Любой ребенок племени сможет рассказать вам о физических характеристиках и поведенческих склонностях десятков видов животных, а также о том, как ветки от кустарников или деревьев или траву можно применить в повседневной жизни: в пище, для разведения огня, для постройки дома или просто как подручный инструмент. Когда наблюдаешь за тем, как мужчина хадза выслеживает раненую импалу на протяжении нескольких километров и никак не выдает свое присутствие или как женщина определяет размер и зрелость дикого клубня в метре под поверхностью, постукивая по земле камнем, не покидает ощущение, что это какая-то магия.

Мы же, со своей стороны, делились с племенем тем, что сами знали о внешнем мире: давали им книги, гаджеты, а иногда даже проводили вечерние киносеансы, показывая им документальные фильмы о природе или боевики на наших ноутбуках (фильмы «Парк юрского периода» – вечные фавориты). Врожденное любопытство, с которым мы все рождаемся и которое является сильной стороной любого ученого, кажется, составляет саму суть культуры хадза. Они хотят знать.

Разговоры обычно начинаются достаточно невинно, но могут перерасти в далеко идущие рассуждения о географии, космологии или биологии. «Сколько времени потребуется, чтобы дойти до вашего дома?» – это достаточно простой вопрос, но реальный ответ требует обсуждения того, что Земля является одновременно круглой и невообразимо большой, с огромными континентами, разделенными бескрайними океанами (они были знакомы с этими концепциями, но не знали всех нюансов). «А моржи настоящие? (и если да, то что это за чертовщина?)» – это еще один справедливый вопрос, особенно если вы только что посмотрели документальный фильм о дикой природе Арктики и не знакомы со льдом, океанами или морскими млекопитающими. Я попытался объяснить, что моржи на самом деле – реальные (хотя и абсурдные) существа, вроде гиппопотамов с клыками слона и плавниками, как у рыбы. Не уверен, что мне кто-то поверил.

Есть замечательная цитата неопределенного происхождения, часто приписываемая Эйнштейну. Она гласит, что «если вы не можете объяснить что-либо простыми словами, вы этого не понимаете». Из-за ограниченности моего суахили и отсутствия у хадза формального образования всегда было весело объяснять, как работает различное исследовательское оборудование, как динозавры в «Парке юрского периода» были созданы компьютером или что измеряет манжета тонометра. Это часто давало понять, какие у меня есть пробелы в знаниях, о которых я даже не догадывался. Они были глубоко в моем сознании, и я мог описать их какими-то пустыми словами, которые на самом деле не имели никакого реального смысла.

Если подумать, то как все-таки музыка попала в радио?

Очень осторожно я начал объяснять. В Аруше, ближайшем крупном городе (о нем знали все хадза, но мало кто отваживался заходить так далеко), стоит здание. Внутри человек включает музыку на магнитофоне или пластинке. (Пока все идет хорошо. Они видели магнитофоны.) А еще там стоит аппарат, который проигрывает музыку и передает ее по воздуху с помощью антенны – большого металлического столба. Радио, в которое встроена еще одна антенна, ловит эту музыку из воздуха и передает ее через громкоговоритель.

«Хорошо, но что именно передается по воздуху из здания в Аруше прямо сюда?»

«Э-э, радиоволны», – ответил я, сразу поняв, что попал впросак.

«Ладно… А что такое радиоволны?»

Хороший вопрос… «Ну, они невидимы и передаются по воздуху. Ты их не слышишь, но они несут музыку…», – я замолчал. Я понятия не имел, как описать радиоволны, потому что сам толком не понимал это явление. На мой взгляд, они были не более чем маленькими дугами, исходящими от антенны, как в каком-то мультфильме. Я знал, что они были своего рода «электромагнитной энергией», но это было бесполезной болтовней. Это похоже на свет, верно? Но как объяснить невидимый свет, исходящий от металлического шеста, несущего музыку? Считается ли это вообще точным описанием?

«А!» – воскликнул Багайо, поднимая свой охотничий лук. «Вот так», – тут он натянул тетиву. Звук невидимо распространяется по воздуху, от тетивы к нашим ушам. Отличная аналогия! Да, именно об этом мы сейчас и говорим! Мне было известно, что звуковые и радиоволны – это разные феномены, но я также знал, что не мог объяснить явление лучше, чем это сделал за меня охотник.

Гига и Багайо были довольны. Брайан и я легко отделались. В следующий раз, когда мы будем в городе, чтобы пополнить запасы, я загуглю, что такое радиоволны.

Развеивая миф о метаболизме

Если мы собираемся обсуждать передовые научные достижения в области метаболизма человека, нам необходимо иметь реальное понимание того, что он собой представляет и как работает – конечно, более профессиональное, чем то, которое у меня было о радиоволнах. Никакой бесполезной информации, никакого жаргона и никакой чертовщины. Давайте начнем с самого начала.

Метаболизм – это широкий термин, который описывает всю работу, которую выполняют ваши клетки. Большая ее часть включает контроль за курсированием молекул в клеточные мембраны (стенки клеток) или из них и преобразование одного вида частиц в другой. Ваше тело – это ходячее, плещущееся ведро из тысяч взаимодействующих молекул – ферментов, гормонов, нейромедиаторов, ДНК и многих других, – и едва ли все это попадает в организм в пригодном виде из пищи. Вместо этого клетки постоянно приносят питательные вещества и другие полезные молекулы, циркулирующие в кровотоке, через свои стенки для использования в качестве топлива или строительных блоков, превращая их во что-то другое, а затем выталкивая материал, который они построили из своих стенок, чтобы использовать его в другом месте организма. Клетки яичников втягивают внутрь молекулы холестерина, вырабатывают из них, а затем выталкивают в кровоток эстроген – гормон, который оказывает влияние на весь организм. Нервы и нейроны постоянно перекачивают ионы (положительно или отрицательно заряженные молекулы) внутрь и наружу, чтобы поддерживать отрицательный внутренний потенциал. Клетки поджелудочной железы, направляемые ДНК, собирают инсулин и множество пищеварительных ферментов из аминокислот. Список можно продолжать и продолжать. Объем метаболической работы, происходящей прямо сейчас в вашем теле, ошеломляет.

И все это требует энергии. На самом деле, работа и есть энергия. Мы измеряем работу и энергию с помощью одних и тех же единиц и можем говорить о них взаимозаменяемо. Бросьте бейсбольный мяч, и его «кинетическая энергия», когда он покидает вашу руку, по определению точно равна количеству работы, которую вы совершили, чтобы ускорить его. Тепловая – это еще одна распространенная форма энергии. Разогрейте чашку молока в микроволновке для вашего ребенка, и повышение температуры покажет вам, сколько электромагнитной энергии забрала жидкость. Энергия, выделяемая при сжигании бензина, равна сумме работы, проделанной для перемещения автомобиля по дороге, и тепла, выделяемого двигателем. Потребляемая энергия всегда равна сумме проделанной работы и полученного тепла, независимо от того, идет ли речь о вашем теле, автомобиле или смартфоне. Мы все живем по одним законам физики.

Энергия также может храниться в вещах, которые потенциально могут выполнять работу или создавать тепло, например в бензине в топливном баке. Натянутая резинка или пружина мышеловки, готовая сработать, обладает потенциальной энергией упругой деформации. Шар для боулинга, который положили на высокую стойку и который может упасть с нее, обладает потенциальной энергией. Связи, которые удерживают молекулы вместе, могут накапливать химическую энергию, которая высвобождается, когда они распадаются. Когда молекулы в 0,9 кг нитроглицерина (химическая формула: 4C₃H₅N₃O₉) расщепляются на азот (N₂), воду (H₂O), метан (CO) и кислород (O₂) во время детонации, они резко высвобождают достаточно энергии (730 килокалорий), чтобы поднять и запустить 75-килограммового человека прямо в небо на 4 км (что считалось бы «работой») или испарить его (что мы также могли бы назвать «теплом»). Это подводит нас к последнему пункту, касающемуся энергии: она может быть преобразована в различные формы – кинетическую, тепловую, химическую, работу, – но никогда не может быть потеряна.

Калории и джоули – это две стандартные единицы измерения энергии, будь то химическая энергия, запасенная в пище, тепло от огня или работа, выполняемая машиной. Термин «калории» считается наиболее употребляемым в Соединенных Штатах, когда речь идет о еде, однако нам удалось изменить его привычное использование. Одна калория – это именно то количество энергии, которое необходимо для повышения температуры одного миллилитра воды (одной пятой чайной ложки) на один градус Цельсия. На самом деле ее слишком мало, чтобы она была полезной единицей измерения, когда мы говорим о пище (представьте, что дорожные знаки будут показывать расстояние в сантиметрах). Вместо этого, рассуждая о пище, мы на самом деле говорим о килокалориях, или 1000 калорий. Чашка сухих хлопьев для завтрака Cheerios содержит 100 калорий в соответствии с информацией о питательных веществах на коробке, но на самом деле это 100 килокалорий, или 100 000 калорий.

Так почему бы нам просто не называть это килокалориями, или ккал, вместо того чтобы злоупотреблять термином «калории»? Как ни странно, в конце XIX века, когда ученые решили использовать калории в качестве предпочтительной единицы измерения пищевой энергии, влиятельный и прогрессивный американский диетолог Уилбур Этуотер решил придерживаться ранних загадочных условностей и просто писать с заглавной буквы слово «калории», когда речь заходит о килокалориях. Это примерно так же разумно, как писать «Сантиметры» для обозначения метров. И мы с тем пор используем запутанную систему калорий (или Калорий) на упаковках продуктов питания. Конечно, это всего лишь еще одна запись в долгой неловкой истории измерений в Соединенных Штатах. У страны, которая настаивает на использовании чайных ложек, дюймов и Фаренгейта, очевидно, есть глубокие психологические проблемы при обсуждении единиц измерения. (Кстати, если вы путешествуете по цивилизованному миру и хотите перевести джоули на этикетках продуктов питания в калории, разделите их на четыре.)

Поскольку работа и энергия – это две стороны одной медали, мы можем смело рассматривать всю работу, которую выполняют наши клетки, и всю энергию, которую они потребляют, как два способа измерения одного и того же. Можно использовать понятия «метаболизм» и «расход энергии» как взаимозаменяемые. Вот почему биологи-эволюционисты, такие как я, а также врачи и сотрудники общественного здравоохранения, так зациклены на расходовании энергии, в которой мы измеряем скорость обмена веществ, ведь это самый главный показатель активности организма. Скорость, с которой клетка выполняет работу, определяет скорость ее метаболизма, расход энергии в минуту. Сложите работу всех клеток в вашем теле, и вы получите общую скорость обмена веществ, энергию, которую вы тратите каждую минуту. Ваш метаболизм – это работа всего клеточного оркестра на пределе возможностей, когда звуки 37 триллионов микроскопических музыкантов сливаются в прекрасную симфонию.

Сложная метаболическая система, которая поддерживает нас и которую мы все считаем само собой разумеющейся, является чудом естественного отбора. Потребовался почти миллиард лет – неисчислимые триллионы поколений, квадриллионы фальстартов и тупиковых ветвей эволюции, – чтобы на этой планете развилась основная структура сегодняшних простейших одноклеточных метаболических систем, вечность проб и (в основном) ошибок. Нужно было еще два миллиарда лет, чтобы простейшие многоклеточные организмы с их интегрированными метаболическими системами и разделением труда эволюционировали[13]. На этом пути жизни пришлось столкнуться с некоторыми серьезными проблемами в области фундаментальной химии: жир смешался с водой, а кислород, химическое вещество, которое сжигает и убивает, дает нам жизнь. Жиры и сахара, содержащие больше энергии на грамм, чем нитроглицерин, должны тщательно сжигаться для получения топлива, не взрывая организмы или не кипятя их заживо.

Общая скорость обмена веществ – это сумма энергии, которую тратят все клетки вашего тела каждую минуту.

И это даже не самая странная часть. Вся работа, которую выполняют наши тела, происходит за счет того, что клетки подпитываются микроскопическими чужеродными формами жизни, называемыми «митохондриями», которые живут в них. Митохондрии имеют свою собственную ДНК и двухмиллиардную эволюционную историю (а они ведь спасли все на Земле от неминуемой гибели). И большая часть работы по перевариванию пищи в пригодные для употребления кусочки выполняется обширной экосистемой, которая живет в вашем кишечнике. Микробиота включает в себя триллионы бактерий, которые заселяют весь ваш пищеварительный тракт, длинный и извилистый проход, соединяющий рот с анусом.

Все мы ходячие химеры: наполовину люди и наполовину неизвестные существа, совершающие обычное чудо превращения мертвой пищи в живых людей каждый день, не задумываясь ни на минуту. Это история, которую вы, вероятно, уже читали раньше. Скорее всего, на страницах учебника, да еще и приукрашенную в несколько раз. Но стоит послушать ее еще один раз.

Во всяком случае, это важнейшая основа, которая чрезвычайно необходима для понимания того, как питание влияет на здоровье и как тело сжигает энергию – как на самом деле устроена жизнь.

«Зеленый сойлент» – это о людях (или могло бы быть)

Начиная со времен древних греков и вплоть до XVII века люди – в том числе и очень умные, такие как Аристотель, – думали, что мухи, мыши и другие организмы могут самопроизвольно появляться из неодушевленных предметов, например грязи и гнилого мяса. Тогда это предположение имело смысл: в один день в углу сарая куча старого тряпья и сено, а на следующий – там уже мыши. Личинки, казалось, появлялись из гниющих туш, и никто и ничто не помещало их туда целенаправленно. Без правильного понимания микроскопического мира или строгих экспериментов эту идею было трудно опровергнуть. И эта теория была популярна вплоть до испытания Луи Пастера в 1859 году, когда он, вскипятив бульон, доказал, что в нем ничего не сможет расти, если не давать пыли и насекомым попадать туда извне (с тем самых пор мы предпочитаем пастеризовать еду). Сегодня идея «спонтанного зарождения» преподается школьникам как классический пример того, какими невежественными были люди и как далеко продвинулась наука.

Конечно, абсурдно предполагать, что мухи могут самопроизвольно появляться из мертвых останков. Но, как мы поняли за последнее столетие научных исследований метаболизма, правда выглядит еще более странной. Животные, растения и все другие живые существа на самом деле являются «машинами спонтанного зарождения», буквально «собирая» свои организмы и тела своих потомков из пищи, воды и воздуха. В конце концов, что такое муха, как не маленькая машина, которая строит детенышей из гнилого мяса?

В уже ставшим классикой фильме «Зеленый сойлент», научно-фантастической антиутопии 1973 года, действие которого происходит в мрачном будущем Нью-Йорка, персонаж Чарлтона Хестона с ужасом обнаруживает, что зеленая каша, которую все едят, на самом деле сделана из людей. Когда в последней, самой драматичной сцене его насильно уносят, он кричит всем, кто его слышит: «Зеленый сойлент – это люди!». Перенесемся в 2018 год, и в качестве примера, когда из искусства извлекают выгоду, вы можете купить пищевые смеси марки Soylent, замысловатые тюбики питательных веществ, которыми можно заменить нормальную пищу, когда вы хотите поесть на бегу или когда вам не с кем пойти на ланч. Я понятия не имею, какого вкуса этот продукт, но это отличный пример разнообразия. Теперь я почти уверен, что зеленый сойлент, который вы покупаете в интернете в наши дни, не из людей. Но вот в чем загвоздка: может быть, он и из них. Все, что вам нужно сделать, – это съесть его.

Каждая молекула в вашем теле, каждый килограмм костей и мышц, каждый грамм мозга и почек, каждый ноготь и ресница, все шесть литров крови, которые текут по сосудам, – все это появилось из той пищи, которую вы съели. Энергия, которая заставляет вас двигаться и поддерживает жизнь, также поступает из еды. Вы – это то, что вы едите, это не просто избитое клише, это сущность жизни. Каждый содрогается, думая о большом количестве американцев, которые буквально ходячие говорящие биг-маки. Мои дети выросли на куриных наггетсах, пасте, йогуртах и морковке. Сам я питаюсь в основном крендельками и пивом. Как все это работает?

Следуй за пиццей

Начнем с обеда. Вы садитесь за стол и едите маслянистый кусок пиццы пепперони (веганы в этом мысленном эксперименте могут заменить мясо и сыр на растительные продукты). Вы откусываете кусочек и начинаете жевать; пленительное сочетание хлеба, соуса, мяса и сыра танцует на вкусовых рецепторах, зубы разрывают корочку, запах поднимается по задней части неба и заполняет нос. Это неописуемо.

Алхимические процессы начались. Жевание и смешивание пищи со слюной – это первый шаг к перевариванию еды и ее основных составляющих, макроэлементов. Существует три категории макроэлементов: жиры, белки и углеводы. Углеводы – это крахмал, сахар и клетчатка. Они поступают в основном из растительной пищи – корочки и томатного соуса в пицце, которую вы едите. Жиры (в том числе масла) бывают как растительного, так и животного происхождения: к последним относятся сыр и пепперони на кусочке пиццы. Белки поступают в основном из мяса и листьев, стеблей, семян растений (включая бобы, орехи и злаки). Пепперони и сыр полны белков, как и листья базилика сверху. В корке есть белок, в том числе много демонизированной клейковины (глютена), из-за которой тесто приходится долго пережевывать. В кусочке пепперони, который вы едите, есть вода, а также небольшое количество других веществ, таких как минералы и витамины, необходимые вашему организму. Но макроэлементы – жиры, белки и углеводы – являются главной составляющей еды. Именно они поддерживают метаболизм и являются сырьем для обмена веществ.

Блок-схема на Рис. 2.1 показывает, куда поступают жиры, белки и углеводы из пищи и что они делают. Представьте, что это своеобразная карта метро, только для макронутриентов. Первый раз прочитать и понять ее будет трудно, но все станет проще, когда вы проследите каждую линию от начала до конца. Все макроэлементы имеют свою собственную линию, и на каждой из них есть три остановки: переваривание, строительство и сжигание. Как и в любой хорошей транспортной системе, есть боковые ветви, которые могут доставить вас с одной линии на другую. И мы начинаем!

Углеводы

Если вы соблюдаете типичную американскую диету, то углеводы составляют около половины калорий, которые вы потребляете каждый день. На самом деле, несмотря на недавно ставшие популярными низкоуглеводные диеты, люди во всех культурах и по всему миру, включая охотников и собирателей, таких как хадза, обычно получают больше калорий из этих веществ, чем из жиров или белков (см. Главу 6). В конце концов, мы приматы, а они едят растения – особенно мы любим спелые сладкие плоды. Углеводы являются нашим основным источником топлива, и мы уже 65 миллионов лет полагаемся на них.

Рисунок 2.1. «Карта метро» макронутриентов. У каждого макроэлемента (жиров, белков и углеводов) свой путь в организме, и на нем три основные остановки: переваривание, строительство и сжигание. Стрелки с одним наконечником указывают на односторонние пути. Дорожки с двуглавыми стрелками идут в обоих направлениях. Некоторые пути опущены для ясности. При переваривании клетчатки микробиотой производятся жирные кислоты, которые присоединяются к «Жировому пути». Сахара используются для построения некоторых структур в организме, таких как ДНК. Многие пути, по которым аминокислоты могут быть преобразованы в глюкозу или кетоны, не показаны. Галактоза, наименее распространенный продукт переваривания углеводов, также отсутствует. е-: электроны. Н+: ионы водорода.

Углеводы бывают трех основных видов: сахара, крахмал и клетчатка. Сахара и крахмал усваиваются и используются либо для накопления запасов гликогена, либо сжигаются для получения энергии (см. Рис. 2.1). Они также могут быть преобразованы в жир, как мы увидим ниже. Клетчатка – это другой зверь, выполняющий важную задачу в кишечнике, регулирующем переваривание и поглощение сахаров и крахмалов, а также питающий триллионы бактерий и других микроорганизмов кишечной микробиоты. На самом деле, она играет существенную роль в переваривании клетчатки, и без нее у нас были бы большие проблемы. Но сначала давайте узнаем побольше о сахарах и крахмале.

Сахара – это всего лишь маленькие углеводы – небольшие цепочки атомов углерода, водорода и кислорода. Самые крошечные из них размером всего лишь с одну большую молекулу сахара (отсюда и приставка «моно» в их техническом названии, «моносахариды»; «сахарид» просто означает «сахар»). Моносахариды – это глюкоза, фруктоза и галактоза. Другие сахара – сахароза, лактоза и мальтоза – состоят из двух моносахаридов, соединенных вместе, и называются «дисахаридами» («два сахара»). Сахароза (столовый сахар) – это глюкоза и фруктоза, связанные вместе. Лактоза (молочный сахар) – это глюкоза и галактоза. Мальтоза – это две глюкозы.

Крахмалы – это просто связанные в одной цепочке молекулы сахара. Поскольку вместе связаны очень много молекул сахара, крахмалы также называют «полисахаридами» («поли» означает много), или «сложными углеводами». Безусловно, самой распространенной молекулой сахара в натуральном крахмале является глюкоза, а растительные молекулы крахмала могут быть длиной в сотни молекул. Крахмал – это способ растений накапливать энергию, вот почему его очень много в картофеле и ямсе. Почти весь растительный крахмал (крахмал в еде) состоит всего из двух полисахаридов, называемых «амилоза» и «амилопектин».

Независимо от того, из какой пищи они поступают, крахмалы и сахара в процессе пищеварения превращаются в один из трех моносахаридов. Переваривание крахмала начинается во рту, с фермента в слюне, называемого амилазой, который начинает расщеплять длинные молекулы амилозы и амилопектина на более мелкие. Ферменты – это белки, которые расщепляют молекулы или вызывают химические реакции (их названия обычно заканчиваются на «-аза»). Пищеварительные ферменты, такие как амилаза, дробят молекулы пищи на все более мелкие кусочки. Крахмалы настолько важны в развитии человека, что мы эволюционировали, чтобы производить больше амилазы, чем любая из обезьян (это мы обсудим в Главе 6).

После проглатывания жидкий болюс пищи[14] попадает в желудок, где кислота убивает бактерии и другие патогены в пище. После этого еда выталкивается из желудка в тонкий кишечник, где происходит большая часть пищеварительной работы. В тонком кишечнике крахмал и сахара подвергаются воздействию ферментов, вырабатываемых кишечником и поджелудочной железой, чтобы расщепить их. Поджелудочная железа, орган длиной около 12 см и формой напоминающий тонкий перец чили, располагается прямо под желудком и соединяется с тонкой кишкой коротким протоком. Он известен тем, что производит инсулин, однако поджелудочная железа тоже выделяет большинство из нескольких десятков ферментов, используемых в пищеварении (наряду с бикарбонатом, который нейтрализует желудочную кислоту, когда она попадает в кишечник). Цепочка этих ферментов (их специфическая форма и состав) и уровни производства (нужно ли выделять много или мало определенного вещества) контролируются генами. Например, если у вас непереносимость лактозы и вы не можете переваривать молоко, это означает, что ваши гены остановили сборку и производство фермента лактазы, который необходим для расщепления дисахарида лактозы на глюкозу и галактозу. Никакой другой фермент не может выполнить эту работу, поэтому нерасщеплённая лактоза направляется в толстую кишку вместе с бактериями, которые производят много газа и вызывают другие «прекрасные» побочные эффекты при непереносимости молока.

Переваривание крахмала и сахара продолжается до тех пор, пока все полисахариды и дисахариды не распадутся на моносахариды. Поскольку большая часть углеводов в вашем рационе приходится на крахмал, а он полностью состоит из глюкозы, около 80 % крахмала и сахаров, которые вы потребляете, в итоге превращаются в глюкозу. Остальное расщепляется до фруктозы (около 15 %) или галактозы (около 5 %). Конечно, если вы придерживаетесь диеты из большого количества обработанных продуктов с высоким содержанием сахара (например сахарозы, состоящей их глюкозы и фруктозы) или кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы (в котором 50 % фруктозы и 50 % глюкозы, смешанной с водой), для вас процент фруктозы может быть немного выше, а содержание глюкозы несколько ниже.

Эти сахара всасываются через кишечную стенку и попадают в кровоток. Стенки кишечника сплошь оплетены кровеносными сосудами, и приток крови к этому органу удваивается после еды, чтобы усвоить все питательные вещества. Результатом является привычное повышение уровня сахара в крови (почти вся глюкоза) после еды, особенно с высоким содержанием углеводов. Если пища, которую вы едите, обработана, содержит мало клетчатки и легко усваивается, углеводы быстро перевариваются и сахар устремляется в кровоток, провоцируя повышение уровня глюкозы в крови. Эти продукты, как говорят, имеют высокий гликемический индекс, который представляет собой повышение уровня глюкозы в крови, измеренное через два часа после приема пищи, относительно повышения, которое было бы у вас после употребления глюкозы. Продукты, которые труднее перевариваются (сложные углеводы с низким содержанием сахара и большим количеством клетчатки), усваиваются дольше, что приводит к медленному и невысокому повышению уровня сахара в крови – они имеют низкий гликемический индекс. Мы обсудим диеты в Главе 6, но уже сейчас можно сказать, что продукты с низким гликемическим индексом намного полезнее.

Микробиота – это комплекс бактерий в организме человека, весом более двух килограммов.

Невоспетые герои всей пищеварительной системы – это пищевые волокна и микробиота. Клетчатка – это класс углеводов (у нее есть много разновидностей), которые организм не может переварить самостоятельно.

Именно эти жесткие тягучие молекулы придают растениям их прочность и структуру. Клетчатка, получаемая из пищи, покрывает стенки кишечника, подобно влажному вязаному одеялу, образуя решетчатый фильтр, который замедляет всасывание в кровоток сахаров и других питательных веществ. Вот почему гликемический индекс – приток сахара в кровь – примерно на 25 % выше для апельсинового сока, в котором не так много клетчатки, по сравнению с кусочком апельсина, в котором она есть.

Клетчатка также питает микробиоту, оживленную экосистему организмов, которые живут в кишечнике и помогают переваривать пищу. Большая часть бактерий обитает в толстом кишечнике, где они переваривают клетчатку и другие вещества, которые организм не способен расщепить самостоятельно в тонком кишечнике. Мы только начинаем осознавать важность микробиоты, но ее масштабы ошеломляют. С триллионами бактерий, у каждой из которых тысячи генов, микробиота подобна двухкилограммовому суперорганизму, живущему внутри вас. Эти микробы переваривают большую часть клетчатки, которую мы едим, используя ферменты, которые наши клетки не могут синтезировать, и производят короткоцепочечные жирные кислоты, которые они поглощают и используют для получения энергии. Микробиота также переваривает другие вещества, которые выходят из тонкого кишечника, укрепляет иммунную систему, помогает вырабатывать витамины и другие необходимые питательные вещества, а также поддерживает работу пищеварительного тракта. С каждым днем науке становится известно все больше о последствиях дисбаланса микробиоты, от ожирения до аутоиммунных заболеваний – результаты очень разнообразны. Но мы уже знаем точно, что если кишечные бактерии находятся в плачевном состоянии, то и вы несчастливы.

Основная причина, по которой мы едим углеводы и жаждем их, т. е. цель их существования (по крайней мере, так думают наши клетки), заключается в том, чтобы питать наши тела. Углеводы – это чистая энергия. Как только сахар попадает в кровоток, остается два пути – сжечь его сейчас или сохранить на будущее (Рис. 2.1). Именно здесь вступает в действие гормон инсулин, вырабатываемый поджелудочной железой. Большинство клеток нуждаются в нем, чтобы молекулы глюкозы попадали внутрь них через их мембраны.

Сжигание углеводов для получения энергии – это двухэтапный процесс, который мы подробно обсудим ниже. Сахар в крови, который не пускается в дело немедленно, «упаковывается» в запасы гликогена в мышцах и печени (Рис. 2.1). Гликоген – это сложный углевод, подобный растительному крахмалу. Его легко использовать, когда требуется энергия, но он относительно тяжелый, потому что содержит равное количество углерода и воды (отсюда и термин «углевод»). Это как консервированный суп: быстро готовится, но тяжелый и громоздкий, потому что хранится с водой. У эволюционировавших людей, как и других животных, выработались жесткие ограничения на количество гликогена, которое может удерживать наш организм. Как только этот лимит исчерпан, сахар в крови должен деться куда-то еще. И единственный путь – это преобразоваться жир.

Когда потребности организма в энергии удовлетворены и запасы гликогена полны, избыток сахара в крови превращается в жир, о чем мы поговорим ниже. Жировые запасы немного труднее использовать в качестве топлива: нужно больше промежуточных шагов, чтобы преобразовать их в сжигаемую форму. Но это гораздо более эффективный способ хранения энергии, чем гликоген, потому что он очень плотный и не содержит воды. И, как мы уже знаем, практически нет предела тому, сколько жира способно хранить человеческое тело.

Жиры

У жиров довольно простой маршрут: они перевариваются до жирных кислот и глицерина, а затем встраиваются в тот жир, который уже есть в вашем теле и который в итоге вы потом сожжете. Проблема заключается в том, что они трудно перевариваются. Все дело в элементарной химии: масло и вода не смешиваются. Жиры (включая масла) являются гидрофобными молекулами, что означает, что они не растворяются в воде. Но, как и вся жизнь на Земле, системы нашего тела основаны на воде. Разбить большие куски жира на микроскопические кусочки просто водой невозможно – это все равно, что пытаться отмыть жирную кастрюлю без мыла. Какое же решение придумала эволюция? Желчь.

Долгое время считалось, что желчь влияет на настроение и темперамент, ведь именно она была одним из «четырех жизненных соков». Это один из примеров, когда умные люди верили в абсурдные вещи. Главные умы человечества, начиная с Гиппократа и заканчивая врачами и физиологами XVIII века, считали, что наличие слишком большого объема желтой желчи в организме делает людей агрессивными. Врачи пускали кровь людям, используя пиявок, если им казалось, что у человека нарушен гуморальный баланс. Это, кстати, одна из причин, почему медики, вероятно, убили больше людей, чем спасли до появления современной медицины около столетия назад. Сегодня мы знаем, что желчь – это вещество, которое помогает жиру перевариваться.

Желчь – это зеленый сок, вырабатываемый печенью и хранящийся в желчном пузыре. Последний представляет собой мешочек размером с большой палец, расположенный между печенью и тонким кишечником, соединенный с обоими короткими протоками. Когда жиры попадают в тонкий кишечник из желудка, желчный пузырь впрыскивает немного желчи в пищу. Желчные кислоты (также называемые желчными солями) действуют как моющие средства, разбивая шарики жира и масла на крошечные капельки эмульсии. После того как жир эмульгирован, к смеси добавляется фермент под названием липаза, вырабатываемый поджелудочной железой, который разбивает их на еще меньшие капли, микроскопические мицеллы, чей размер не превышает одной сотой диаметра человеческого волоса. Они формируются, распадаются и снова собираются, как пузырьки в газированном напитке. Каждый раз, распадаясь, они высвобождают отдельные жирные кислоты и глицериды (жирные кислоты, прикрепленные к молекуле глицерина), которые удерживали, – основные строительные блоки жиров и масел.

Жирные кислоты и глицериды всасываются в стенку кишечника и преобразуются в триглицериды (три жирные кислоты, прикрепленные к молекуле глицерина), стандартную форму жиров в организме. Здесь организм сталкивается со следующей проблемой переваривания жиров: плохо смешиваясь с водой, они имеют тенденцию собираться вместе в растворах на водной основе, таких как кровь. Густая кровь убьет вас, закупорив мелкие сосуды в мозге, легких и других органах. Эволюция нашла решение этой проблемы: триглицериды собираются в сферические формы, которые называются хиломикронами. Это удерживает жиры от слипания, но приводит к тому, что сферическое образование слишком велико, чтобы быть пройти через стенки капилляров и попасть в кровоток, откуда оно должно распределяться по всему телу.

Вместо этого молекулы жира, упакованные в хиломикроны, попадают в лимфатические сосуды. Эти сосуды, выполняя как надзорную роль, так и роль сборщика «мусора» в организме, образуются в сеть по всему телу, собирая мусор, бактерии и другие «обломки» и доставляя их в лимфатические узлы, селезенку и органы иммунной системы. Они хорошо подходят для сбора крупных частиц мусора, таких как хиломикроны, наполненные жиром. Лимфатические сосуды также собирают всю плазму, которая вытекает из кровеносных сосудов (около 2,8 л в день) и возвращают ее в кровеносную систему – так они играют роль своеобразного пропускного пункта в кровоток. Специализированные лимфатические сосуды (они называются хилусными, или млечными[15]) в стенке кишечника втягивают хиломикроны в лимфатическую систему, а затем сбрасывают их непосредственно в кровеносную, прямо туда, где находится сердце.

Белые наполненные жиром хиломикроны настолько раздуваются после жирной пищи, что могут придать крови кремовый оттенок. В конце концов, однако, они разрываются на части, и их содержимое втягивается в ожидающие клетки для хранения или использования. Фермент липопротеинлипаза в стенках кровеносных сосудов сначала расщепляет триглицериды на жирные кислоты и глицерин, которые втягиваются в ожидающие клетки, метко названные молекулами-переносчиками жирных кислот, прежде чем снова собираются в триглицериды. Большая часть жира хранится в жировых клетках (адипоцитах) и мышцах, образуя резервный топливный бак. Накопленные триглицериды – это жир, который мы ощущаем на животе и бедрах или видим на куске мраморной говядины. Проблемы возникают, когда организм начинает накапливать значительное количество жира в печени и других органах, что может привести к печеночной недостаточности и целому ряду проблем со здоровьем. Причины жирового гепатоза (ожирения печени) не всегда ясны, но избыточный вес является основным фактором риска.

Небольшая часть жиров, которые мы едим, используется для строительства таких структур, как клеточные мембраны, миелиновые оболочки, которые покрывают нервы и части мозга. Некоторые из жирных кислот, необходимых для построения этих тканей, не могут быть получены путем перестройки других и поэтому считаются незаменимыми – их нужно получать из пищи. Вот почему производители продуктов питания часто говорят о содержании омега-3 жирных кислот (незаменимых жирных кислот) в рыбе, молоке или яйцах.

Как и в случае углеводов, конечное назначение жира – причина, по которой вы жаждете его и по которой ваше тело прилагает усилия, чтобы переварить и сохранить его, – это сжигание в качестве топлива для работы организма. Все животные эволюционировали, чтобы хранить энергию в виде жира, потому что он содержит невероятное количество энергии: 9,1 килокалорий на грамм. Это, наравне с реактивным топливом, более чем в пять раз превышает плотность энергии нитроглицерина и почти в сто раз лучше, чем обычная щелочная батарейка. К счастью, процесс расщепления жиров для получения энергии происходит медленнее, чем взрыв динамита. Некоторые вещества этого типа сжигаются сразу после переваривания. Но большую часть времени между приемами пищи ваше тело использует накопленные жиры в качестве топлива. Триглицериды, из которых состоит накопленный жир, расщепляются на жирные кислоты и глицерин и используются для производства энергии (Рис. 2.1), что мы рассмотрим ниже более подробно.

Белки

Белки проходят интересный маршрут. В отличие от жиров и углеводов, они не являются главным источником энергии (если только вы не хищник). Основная роль этих веществ заключается в том, чтобы строить и восстанавливать мышцы и другие ткани, поскольку они разрушаются каждый день. Тело действительно сжигает белки для получения энергии, но это небольшая часть ежедневного энергетического бюджета.

Переваривание белков стартует в желудке с фермента, называемого пепсин, который начинает расщеплять их. Клетки в стенке желудка вырабатывают предшественник этого фермента, называемый пепсиногеном, который преобразуется желудочной кислотой в пепсин и затем, как Эдвард Руки-ножницы, измельчает все белки, с которыми вступает в контакт. Этот процесс продолжается в тонком кишечнике, когда пища покидает желудок, а ферменты выделяются поджелудочной железой.

Все белки усваиваются вплоть до их основных строительных блоков – аминокислот (Рис. 2.1). Аминокислоты – это класс молекул, имеющих форму воздушного змея: их головка как будто приклеена к хвостику. Голова у всех одинаковая – азотсодержащая аминогруппа, соединенная с карбоновой кислотой. Аминокислоты отличаются хвостами, которые всегда представляют собой конфигурацию атомов углерода, водорода и кислорода. На Земле существуют сотни веществ этого класса, но только двадцать одно используется для создания белков в растениях и животных. Девять из них считаются незаменимыми для человека, то есть наши тела не могут производить их самостоятельно – нужно получать их из пищи (не волнуйтесь: если вы еще не умерли, то получаете их). Другие аминокислоты тело может производить, если это необходимо, обычно путем расщепления и перестройки других веществ этого типа. Но мы забегаем вперед.

Следующая остановка на пути аминокислот – это построение тканей и других веществ, составляющих человеческий организм (см. Рис. 2.1). Как только белки из куска пиццы перевариваются в аминокислоты, они всасываются через стенки тонкого кишечника и попадают в кровоток. Из крови они проникают в клетки, чтобы построить белки, которые представляют собой цепочки аминокислот, связанных вместе. Построение белков из этих веществ – одна из основных задач ДНК. Ген – это участок ДНК, который выстраивает определенную последовательность аминокислот, чтобы сделать белок (некоторые гены являются регуляторными, то есть не собирают сами белки, а активируют или подавляют гены, собирающие их). Варианты в последовательности ДНК (последовательность нуклеотидов As, Ts, Cs и Gs) могут приводить к различным аминокислотным составам и, таким образом, к незначительно отличающимся белкам, из-за чего появляются биологические различия между людьми. Аминокислоты также используются для производства других молекул, таких как адреналин (гормон, отвечающий за реакцию «бей или беги») и серотонин, один из нейромедиаторов, используемых клетками мозга для общения.

Эти же ткани и молекулы со временем разрушаются. В итоге они превращаются обратно в аминокислоты и перемещаются по кровотоку в печень. Там все становится немного сложнее. Аминогруппа в аминокислоте имеет очень схожую структуру (NH2) с аммиаком (NH₃) (обратите также внимание на сходство в названиях). Точно так же, как употребление домашнего чистящего средства на основе аммиака наверняка убьет вас, накопление этого соединения от расщепления аминокислот будет смертельным. К счастью, у нас развился механизм его превращения в мочевину, которая затем проходит через кровоток в почки и выводится с мочой. Именно это вещество придает моче тот пикантный запах, от которого слезятся глаза, что очень логично, ведь в ней содержится аммиак.

Каждый день мы выводим с мочой около пятидесяти граммов белка. При физических упражнениях расход увеличивается (а вместе с ним ускоряется и мышечный распад). Нужно потреблять достаточное количество этого макронутриента, чтобы восполнить то количество, которые мы теряем каждый день, чтобы не возникло его дефицита. Если мы едим больше белка, чем нужно, лишние аминокислоты превращаются в мочевину и выводятся с мочой. А если переусердствовать с протеиновыми добавками, то ваша моча просто будет очень дорогой.

Последняя остановка на линии белкового поезда – сжигание аминокислот для получения энергии (см. Рис. 2.1). После того как азотсодержащая головка отрубается, превращается в мочевину и отправляется в путь, хвосты используются для производства глюкозы (процесс, называемый глюконеогенез, что буквально означает создание нового сахара) или кетонов, которые могут быть использованы для получения энергии, как мы увидим ниже. Белки, как правило, составляют незначительную часть ежедневного энергетического бюджета, обеспечивая около 15 % калорий каждый день. Но они являются жизненно важным аварийным источником топлива, если мы голодаем (это, как если бы мы сожгли мебель, чтобы протопить дом). Скелетообразные фигуры жертв концлагерей являются ужасающим примером этого процесса, доведенного до крайности: их тела поглощают себя в отчаянной попытке остаться в живых.

Сжигай, детка, сжигай

Все дороги на нашей карте метаболических поездов ведут в конечном счете к одной цели – созданию энергии (топлива для организма). Углеводы, жиры и белки содержат запасенную химическую энергию в связях, которые удерживают их молекулы вместе. Их разрыв высвобождает энергию, которую мы используем для того, чтобы наши тела правильно функционировали.

Во всех биологических системах, включая человеческий организм, энергия имеет одну фундаментальную, общую форму – аденозинтрифосфат (АТФ). Молекулы АТФ подобны микроскопическим батарейкам, которые «заряжаются» путем добавления фосфата к аденозиндифосфату (АДФ). Обратите внимание на приставки «три» и «ди», что означает три фосфата у АТФ и два – у АДФ. Один грамм АТФ содержит пятнадцать калорий энергии (это калории, а не килокалории), а человеческое тело содержит только около пятидесяти граммов аденозинтрифосфата в любой момент времени. Это означает, что каждая молекула проходит путь от АДФ к АТФ и обратно более трех тысяч раз в день для того, чтобы мы получали достаточно энергии. Таким образом, сжигание белков, жиров и углеводов – это процесс передачи химической энергии в молекулах сахара, жира и аминокислот к химической связи, которая удерживает третий фосфат в молекулах АТФ. Когда мы используем пищу для производства энергии, то получаем аденозинтрифосфат.

Давайте начнем с одной молекулы глюкозы, преобладающей формы сахара, которую тело использует для получения энергии (c галактозой и фруктозой все происходит точно так же). Одна молекула глюкозы может поступать непосредственно из углеводов, которые мы только что съели, или из запасенного гликогена, который был преобразован в это соединение. Как мы начали обсуждать в конце раздела, посвященного углеводам, сжигание сахаров для получения энергии происходит в два этапа. Во-первых, глюкоза (C₃H₄O₃) превращается в молекулу пирувата (C₆H₁₂O₆) – это уже процесс из 10 этапов, который подпитывается от двух молекул АТФ, но производит четыре, что приводит к чистому двойному выигрышу. Это относительно быстрый процесс, и именно он помогает при коротких всплесках энергии, когда, например, нужно пробежать 100 метровый спринт, или во время силовой тренировки в спортивном зале.

Первая стадия метаболизма называется анаэробной, потому что она не требует кислорода. Вы можете наблюдать ее, когда смотрите Олимпийские игры по телевизору: элитные спринтеры, кажется, вообще не дышат, а пауэрлифтеры[16] задерживают дыхание. Если кислорода недостаточно либо потому, что мы не дышим эффективно, либо (что более вероятно) потому, что мышцы работают слишком интенсивно, чересчур быстро для того, чтобы снабжение O₂ покрывало количество производимого пирувата, последний превращается в лактат. Лактат может быть преобразован в пируват для использования для выработки энергии, но если его накапливается слишком много, то он может превратиться в молочную кислоту, которая заставляет мышцы гореть, когда мы усердно работаем на пределах своих возможностей.

На второй стадии (аэробной) нам нужен кислород. Если в клетке достаточно вещества, то пируват, образующийся в конце первой стадии, попадает внутрь органеллы, которую мы называем митохондрией.

В обычной клетке есть десятки митохондрий, и они известны как энергетические станции клетки, потому что основная часть производства АТФ происходит внутри них. Именно здесь начинается волшебство, которое поддерживает в нас жизнь.

В митохондриях пируват превращается в ацетил-коэнзим А, или ацетил-КоА (см. Рис. 2.1), который соперничал бы с АТФ за звание самого важного химического вещества, о котором вы, вероятно, никогда не слышали или полностью забыли. Ацетил-КоА подобен вагону поезда, набитому пассажирами, – атомами углерода, водорода и кислорода – без двигателя. Параллельно этому составу едет еще один – оксалоацетат, который присоединяется к ацетил-КоА и начинает тянуть его по круговому пути, который мы называем циклом Кребса. Поезд делает восемь остановок, и на каждой из них входят или выходят пассажиры с углеродом, водородом и кислородом. Миграция этих атомов порождает два АТФ. К конечной остановке остается только оксалоацетатный двигатель. Он подсоединен к другому ацетилу-КоА, и цикл повторяется.

15 калорий энергии содержится в каждом грамме АТФ. Его молекулы заряжаются путем добавления фосфата к АДФ.

Важно отметить, что некоторых пассажиров грабят: когда они входят и выходят из поезда цикла Кребса, никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и флавинадениндинуклеотид (ФАД) крадут их электроны (см. Рис. 2.1). Эти молекулы снуют по задворкам митохондрий и выгружают украденные электроны в специальный рецепторный комплекс в мембране – дверь в стене. Митохондрии – это структуры с двойными стенками, как термос: между внутренней и внешней мембранами есть небольшое пространство, называемое межмембранным. Когда украденные электроны обосновываются во внутреннем мембранном комплексе, положительно заряженные ионы водорода (которых там достаточно) преследуют отрицательно заряженные электроны и в итоге попадают в ловушку в межмембранном пространстве. Ионы водорода подобны рыбам, пойманным в сеть: они пытаются проплыть через внутреннюю мембрану, притягиваемые электронами, только чтобы оказаться в ловушке и тесниться в межмембранном пространстве.

Поскольку все положительно заряженные ионы водорода соединены вместе, существует электрохимическая сила, выталкивающая их, чтобы уравновесить заряд по обе стороны внутренней мембраны. Но для ионов водорода есть только один способ покинуть эту западню: специальный портал во внутренней мембране, который работает как турникет. Ионы водорода проходят через турникет, приводимые в движение электрическим зарядом. Когда он вращается, то заставляет вместе молекулы АДФ и фосфата образовывать АТФ. Это настоящий мотор, производящий тридцать два АТФ. Сложная хореография электронов и ионов водорода, танцующих вдоль внутренней мембраны, называемая окислительным фосфорилированием, – это основной генератор энергии, который питает тело.

Но что же происходит с самой молекулой глюкозы, с атомами углерода, кислорода и водорода, о которых мы начали говорить в самом начале? Помните, что именно энергия удерживает их в связанном состоянии. А атомы углерода и кислорода, составляющие 93 % массы молекулы глюкозы, превращаются в углекислый газ (CO₂) при трансформации глюкозы и в пируват в цикле Кребса (см. Рис. 2.1). Водороды соединяются с кислородом в конце окислительного фосфорилирования, образуя воду, Н₂О (см. Рис. 2.1). Мы едим углеводы только для того, чтобы выдыхать их, наполняя воздух вокруг скелетами картофеля прошлого. Оставшаяся часть превращается в капли воды в океане нашего организма.

Сжигание и получение жира и переход на кето-диету

Мы используем точно такие же этапы аэробного дыхания для сжигания жира. Вместо того чтобы взяться за молекулу глюкозы, мы начинаем с триглицерида. Это может быть жир из свежей пиццы, которую мы только что съели, молекула, упакованная в хиломикрон или недавно выпущенная из обильных жировых запасов. Независимо от их источника, триглицериды расщепляются на жирные кислоты и глицерин и превращаются в ацетил-КоА (сначала глицерин трансформируется в пируват; Рис. 2.1). И точно так же, как глюкоза, атомы углерода, кислорода и водорода, которые составляют эти жирные кислоты и глицерины, выдыхаются в виде CO₂ или преобразуются в воду. Помимо небольшой доли, которая превращается в жидкость, жир, который вы сжигаете, покидает тело, выделяясь через легкие. Вы выдыхаете свою пищу.

Если мы сжигаем много жира, независимо от того, сидим ли мы на чрезвычайно низкоуглеводной диете или голодаем, часть образующегося ацетил-КоА преобразуется в молекулы, называемые кетонами. Большая их часть образуется в печени. Кетоны – это своего рода передвижная версия ацетила-КоА, и она может путешествовать в кровотоке к другим клеткам, превращаться в ацетил-КоА и использоваться для производства АТФ. Как и в случае многих метаболических преобразований, большая часть кетонов производится в печени, однако применение им находится во всем организме. Именно такой путь продвигают последователи кетогенных диет: они потребляют много жиров и белков и отказываются от углеводов. При прекращении движения углеводных поездов вся активность переключается на жировые и белковые пути (см. Рис. 2.1).

Поскольку кетоны путешествуют вместе с кровью, они появляются и в моче. Любопытные и скучающие могут купить тест-полоски без рецепта в большинстве аптек. Присутствие кетонов в моче сигнализирует о том, что организм находится на стадии кетогенеза и использует жир для получения энергии.

Как только вы познакомитесь с жировыми и глюкозными путями в организме (см. Рис. 2.1.), вы поймете, почему крайне низкоуглеводные, кетогенные рационы, такие как система питания Аткинса или модная палеодиета (которая, как мы увидим в Главе 6, вовсе не палео), могут привести к значительной потере жира. Без углеводов единственный способ получения ацетил-КоА – это сжигание жира. Конечно, вы также можете использовать белки, превращая аминокислоты в кетоны или глюкозу (некоторые аминокислоты даже образуют молекулы, которые могут скакать в середине цикла Кребса, как ребенок, прыгающий через двойную скакалку). Но белок, как правило, является второстепенным игроком с точки зрения ежедневных энергетических затрат. Жир является основным топливом на низкоуглеводной диете, и, если вы потребляете меньше калорий, чем тратите, дефицит будет восполнен сжиганием накопленного жира для получения энергии. Часть будет переработана в кетоны перед сжиганием. Например, мозг особенно разборчив в еде и обычно использует глюкозу только для метаболизма, но, если ее нет, он переключается на сжигание кетонов.

Темная сторона преобразования жиров в энергию заключается в том, что дорожки идут в обе стороны. Как показано на Рис. 2.1, молекула сахара (глюкоза или фруктоза) может превратиться в ацетил-КоА, а затем перейти на путь жирных кислот вместо того, чтобы войти в цикл Кребса, и вуаля! Сахар превращается в жир. Это тот же самый процесс, который используется для преобразования жира в КoA, просто в обратном направлении.

На самом деле, как и любая хорошая, гибкая транзитная система, наши метаболические пути эволюционировали, чтобы реагировать на условия движения и отправлять молекулы в наиболее разумные места назначения[17]. Съели больше сахара, чем нужно? Организм превратит глюкозу и фруктозу в гликоген. Запасы гликогена полны? Излишки сахара превратятся в ацетил-КоА. Если поезд цикла Кребса переполнен из-за низкой потребности в энергии, начните посылать ацетил-КоА в жир. И всегда есть много свободного места. Запасы гликогена пополняются, и вы не можете хранить избыточный белок, но нет предела тому, сколько жира может накопить организм.

И именно поэтому мы должны очень осторожно подходить к любым диетам, нацеленным на одно конкретное питательное вещество (как к герою или злодею в вопросе похудения). Ничто не принесет вам пользу, если этого будет слишком много. Любые калории, которые не сжигаются, независимо от того, являются ли они крахмалом, сахарами, жирами или белками, превратятся в дополнительную ткань в теле. Если вы беременны или набираете массу в тренажерном зале, эта дополнительная ткань может быть полезной вещью, такой как органы или мышцы. Но если это не так, то эти лишние калории, независимо от их первоначального пищевого источника, в конечном итоге превратятся в жир. Это основа, которую мы должны понять, чтобы начать говорить обо всех реальных сложностях питания и метаболического здоровья. Мы еще поговорим о диетах и доказательствах того, что работает, а что нет, в Главах 5 и 6.

Отравленные растениями

Может быть, лучше жить в блаженном неведении? Я, конечно, вижу аргументы в пользу этого. Гораздо легче пережить день, когда чувствуешь, что мать-природа хочет наградить теплыми объятиеми и что естественный мир и даже твои собратья очень хорошие. Боль и смерть неизбежны, но только потому, что мы неуклюжи, подвержены ошибкам и не созвучны направляющим гармониям вселенной. Если бы мы только ощутили кармический поток, были щедрыми и добрыми, мир, несомненно, ответил бы взаимностью. Если бы только мы могли вернуться в естественное состояние, как наши предки, охотники и собиратели.

Верно?

Киноночь в саванне. Весь лагерь хадза собрался в темноте вокруг ноутбука Брайана. Там идет документальный фильм о природе, который всем нравится. Каждый раз, когда в кадре появляется новое животное-главный герой, толпа начинает перешептываться. О-о-о-о-о-о! Посмотрите на этого антилопу гну! О боже, это же огромный жираф! Затем в кадре появляется ночная сцена на краю водопоя. Слоны пришли попить, отчаянно нуждаясь в воде в самый разгар засухи. Но львы прячутся поблизости. Они набрасываются на слоненка, перегрызают его шею сзади, пока он в страхе пытается спастись. Маленький слоненок поднимает крошечный хобот и страдальчески плачет. Толпа поглощена этим зрелищем, включая меня. Взрослые слоны пытаются прогнать львов, но это бесполезно. Их слишком много, и они нападают, как ниндзя, один за другим, пуская все больше крови из жертвы. Наконец-то все закончилось. Слоненок! О боже, какой ужас! Несомненно, природа ошиблась. Это что-то настолько отвратительное, такого и быть не может!

В племени хадза раздались возгласы ликования. Ха! Львы взяли свое!

Я был ошеломлен. Каким нужно быть психопатом, чтобы быть на стороне львов?[18]

Однако затем ко мне пришло осознание. Испытывать жалость к слонам – это роскошь, порожденная городской жизнью, переживанием природы через телевизионный экран. Напротив, расти в пустыне и жить так каждый день – это значит понимать, что природа-мать не будет постоянно тебя спасать. Нет никакой величественной драмы, разыгрывающейся ради вашего духовного роста. Вместо этого вы являетесь частью огромного количества разных видов, некоторые из которых злобны, другие равнодушны, и ни один из них не является вашим другом. Хадза ненавидят слонов, потому что они массивные и злобные и иногда убивают кого-то из членов племени. Охотники и собиратели смотрят на них примерно так же, как и на змей, а они ненавидят змей.

Первой на планете формой энергии, так необходимой для жизнедеятельности любого живого организма, был фотосинтез.

Хадза не плачут по животным, на которых охотятся и которых убивают, так же как вы не плачете над стаканчиком йогурта. Они не циничны и не пресыщены, но знают свое дело. Быть частью экосистемы означает есть других: растения или животных. Дикие гиеновые собаки, которые учуют ваш запах на ветру и повернутся, чтобы последовать за вами, не почувствуют угрызений совести, когда будут раздирать ваши внутренности. Ничего личного, это просто вопрос выживания. Понимание жизни в реальной функционирующей экосистеме требует от нас отказа от романтических, диснеевских мифов, к которым мы привыкли, живя в защищенных пригородах.

Понимание мира через призму эволюции – это точно такой же дезориентирующий сигнал пробуждения. Именно Дарвин впервые отметил, что все виды в природе конкурируют за ограниченные ресурсы, пытаются найти пищу, не превратившись при этом в обед для кого-то другого. В природе нет ни «хорошего», ни «плохого» – мы проецируем эти культурные оценки на аморальных и безразличных животных. Даже вещи, которые кажутся явно сделанными для нашей пользы, движимы эволюционно эгоистичными скрытыми мотивами. Плоды, эти дары с деревьев, отяжелевшие от сладкой мякоти, – просто хитроумный способ рассеивать семена. Собаки эволюционировали, чтобы воздействовать на наши эмоции и заставлять нас любить их, потому что мы их кормим. А пышные зеленые растения, которые наполняют Землю жизнью? Они потихоньку отравляют нас уже два с половиной миллиарда лет.

Для жизни нам нужна энергия, и первой ее формой на развивающейся планете был фотосинтез. Самые ранние бактерии, которые использовали энергию солнца, полагались на водород и серу, а не на воду, чтобы запустить этот процесс. Затем, примерно 2,3 миллиарда лет назад, где-то в неглубоких прудах молодой скалистой земли появился новый «рецепт» фотосинтеза: теперь он превращал воду (H₂O) и углекислый газ (CO₂) в глюкозу (C₆H₁₂O₆) и кислород (O₂). Солнечный свет обеспечивал энергию, необходимую для этого преобразования, которая накапливалась в молекулярных связях глюкозы.

Этот новый тип фотосинтеза (он называется кислородным за счет того, что производит этот газ в виде отходов) полностью изменил все. Кислородная фотосинтетическая жизнь колонизировала планету, впитывая CO₂ и воду и выделяя O₂. Мы склонны думать о кислороде как о хорошей вещи, поддерживающей жизнь, но его истинная химическая природа разрушительна. Он крадет электроны и соединяется с другими молекулами, полностью изменяя их химический состав и часто разрывая на части. Кислород – это Шива-разрушитель[19], уничтожающий все, к чему прикасается либо медленно с помощью ржавчины, либо яростно, сжигая все на своем пути.

Сначала новый кислород, вырабатываемый растениями, поглощался железом в грязи и горных породах, создавая массивные окисленные «красные пласты» в земной коре. Тогда океаны поглощали столько O₂, сколько могли вместить. После этого атмосфера начала заполняться, процент кислорода на планете поднялся от 0 до более чем 20 %, поскольку фотосинтезирующие растения по всему земному шару выделяли ядовитую дрянь безостановочно и безразлично. Когда уровень газа резко возрос, жизнь начала угасать. Это событие называется кислородной катастрофой, когда Земля почти превратилась в мертвую планету.

Инопланетяне внутри: митохондрии и кислородная радость

В непостижимой длительности естественного отбора маловероятные события становятся рутиной. Подумайте о шансах быть пораженным молнией – 1 к 700 000 (и это только для человека, живущего в Соединенных Штатах). Если вы доживете до семидесяти лет, ваши шансы все еще обнадеживающе низки – 1 к 10 000. Но что, если бы вы прожили три миллиарда лет, наблюдая, как развивается жизнь на Земле? С течением времени вы можете ожидать, что молния ударит в вас более 4200 раз.

Эти цифры еще труднее осознать, когда мы рассматриваем эволюцию среди кишащих микроскопических орд бактерий и других одноклеточных организмов. В 30 граммах «чистой» питьевой воды содержится более миллиона бактерий, а на планете около 1,39 млрд км³ воды. Таким образом, общее число переносимых водой микроорганизмов на Земле (игнорируя те, которые живут на суше) составляет около 40×1027, или 40 с 27 нулями в конце. Даже если они размножаются только один раз в день, это 14×1030 повторений в год. Какова вероятность возникновения случайной мутации, которая изменяет метаболический путь, превращая некое ранее непригодное химическое вещество в источник пищи? Даже если шанс составляет один к ста триллионам, мы можем ожидать более 100 000 триллионов таких мутаций каждый год. В течение миллионов лет эволюционного развития такие изменения почти неизбежны.

И поскольку молодая Земля медленно и постепенно наполнялась ядовитым кислородом в течение многих эпох, то такая возможность, безусловно, была. Среди бесчисленных квадриллионов бактерий, живущих, мутирующих и размножающихся на протяжении миллиардов лет, некоторые нашли, казалось бы, невозможное решение – способ использовать кислород для производства энергии (также этот процесс называется окислительным фосфорилированием). Перемещение электронов в межмембранное пространство и обратно позволило микроорганизмам обратить процесс фотосинтеза вспять, используя кислород для разрыва связей глюкозы, высвобождая накопленную солнечную энергию, содержащуюся внутри. Отходами в данном случае были СО₂ и вода – главные ингредиенты для фотосинтеза.

Это было знаковым событием в эволюции жизни. Аэробный метаболизм открыл новые горизонты, иной способ получать энергию. Бактерии, использующие кислород, распространились по всей планете, трансформируясь в новые виды и семейства. Вскоре они были повсюду.

Затем произошло еще одно невероятное событие. В раннем порочном клеточном мире, когда одна клетка поглощала другую, размножающиеся аэробные бактерии были бы восхитительным пунктом меню. Когда клетка поглощает другую (будь то амеба в ручье на заднем дворе, пожирающая инфузорию туфельку, или иммунная клетка в кровотоке, убивающая вторгшуюся бактерию), она «съедает» свою добычу и жертва попадает внутрь мембраны поглотившей ее клетки, где в дальнейшем распадется и превращается в энергию. Но, поскольку бесчисленные миллиарды аэробных бактерий были поглощены за сотни миллионов лет, только небольшая горстка (возможно, лишь одна или две) избежала уничтожения. Вместо этого, вопреки всему, они выжили, остались целыми и невредимыми, продолжая жить в своем новом хозяине. Их можно даже сравнить с пророком Ионой, который был проглочен китом и жил в его чреве.

И это сработало блестяще.

Эти химерные клетки имели преимущества перед другими в океанах нашей планеты. Имея на борту специальную бактерию, производящую энергию, эти гибридные клетки превосходили других в борьбе за превращение энергии в потомство. Наличие внутреннего бактериального двигателя стало нормой. Каждое животное на Земле сегодня, от червей до осьминогов и слонов, пользуется результатами этого великого скачка эволюции. Как и другие животные, мы тоже являемся носителями потомков тех спасительных аэробных бактерий в наших клетках. Это митохондрии.

Революционную идею о том, что митохондрии развились из симбиотических бактерий, поддержала Линн Маргулис, дальновидный эволюционный биолог. Ученые еще в XIX веке признали визуальное сходство между митохондриями и микроорганизмами, которые они рассматривали через микроскоп, и предположили возможность бактериального происхождения этих органелл, но именно Маргулис первой дала этой идее жизнь. В 1960-х годах она написала эпохальную статью, посвященную этой теории. Более дюжины журналов отказались от ее публикации, потому что посчитали текст возмутительным, но исследовательница не сдавалась. В последующие десятилетия стало ясно, что абсурдная идея Маргулис была абсолютно верной.

Митохондрии внутри клеток сохраняют собственную странную петлю ДНК – предательский след их бактериального прошлого. И мы покорно кормим их и ухаживаем за ними, как за драгоценными домашними животными, наше сердце и легкие снабжают митохондрии кислородом и забирают отходы CO₂ (см. Рис. 2.1). Без них и магии окислительного фосфорилирования мы не смогли бы поддерживать энергетическую экстравагантность, которую считаем само собой разумеющейся. Жизнь никогда не превратилась бы в тот огромный зверинец, который мы видим сегодня.

Кислород является основным ингредиентом окислительного фосфорилирования именно потому, что он похищает электроны – именно эта характеристика делает его таким разрушительным. O₂ является конечным акцептором электронов в так называемой цепи переноса, транспортной системе, которая пропускает их вдоль внутренней мембраны митохондрий, вытягивая ионы водорода в межмембранное пространство (см. Рис. 2.1). Без кислорода цепь переноса электронов останавливается, цикл Кребса возобновляется и митохондрии выключаются. Когда электроны соединяются с O₂ в конце этого процесса, они притягивают ионы водорода, образуя воду, Н О. Митохондрии образуют больше одной чашки воды в день (около 300 мл) из кислорода, который вы вдыхаете.

Вне конкуренции

На фундаментальном уровне макронутриентов и митохондрий пути и способы производства АТФ у всех животных (включая человека), по существу, одинаковы. Рисунок 2.1 в равной степени применим к тараканам, коровам и жителям Калифорнии. И все же за почти два миллиарда лет, прошедших с тех пор, как на сцену вышли аэробный метаболизм и митохондрии, эволюционировало поразительное множество видов, и все они использовали одну и ту же основную метаболическую структуру. Обмен веществ ускорялся и замедлялся, корректировался и формировался, подпитывая энергией организмы, чтобы они двигались, росли, размножались и восстанавливались. Как мы видели в предыдущей главе, эти метаболические изменения существенным образом повлияли на развитие нашего вида.

Теперь, когда мы понимаем метаболические основы, которые являются базовыми у всех животных, давайте исследуем способы, которыми эволюция сформировала их, чтобы поддержать биоразнообразие. Давайте посмотрим, куда могут доставить нас кислородные двигатели и как они функционируют изо дня в день в реальном мире. Сколько энергии мы действительно расходуем каждый день, и на что она тратится? Сколько энергии нужно, чтобы пройти километр, побороть простуду или родить ребенка? Можем ли мы действительно ускорить метаболизм с помощью кофе, диеты или суперфудов? Как нашему организму удается обеспечить необходимое количество топлива для удовлетворения ежедневных потребностей? И почему метаболические двигатели изнашиваются и выходят из строя? Является ли смерть неизбежной ценой сжигания калорий, сделкой с дьяволом за возможность танцевать среди живых?

И самое главное: как много нужно пробежать, чтобы избавиться от чувства вины из-за съеденного пончика?

Глубоко в лесу, примерно в получасе езды от Бостона, на территории списанного ракетного полигона времен Холодной войны, расположен тайный зверинец странных существ, где серьезные исследователи трудятся над разгадкой тайны жизни. Это гарвардская полевая станция – наполовину старая ферма Новой Англии и наполовину лаборатории безумного ученого. Когда осенние листья танцуют свой последний танец, эму расхаживают по пастбищам, как сварливые динозавры, а валлаби[20] прыгают в траве поблизости. Козы и овцы на холме кажутся типичным пастушьим стадом, но обратите внимание на маленькие черные коробочки на их ошейниках, регистрирующие каждое движение, как бортовые самописцы в самолете. Внутри низких зданий из цементных блоков вы найдете цесарок на миниатюрных беговых дорожках или лягушек, прыгающих с крошечных инструментальных платформ для измерения ускорения. Летучие мыши и птицы носятся по коридорам, а аспиранты с передозировкой кофеина и высокоскоростные инфракрасные камеры наблюдают, как они мечутся и маневрируют.

Это было в конце лета 2003 года, когда за плечами у меня была уже половина докторантуры в милом моему сердцу Гарварде. Я тогда изучал все тонкости измерения расхода энергии для диссертации. До сих пор помню первые несколько недель работы на полевой станции – тогда я чувствовал себя новичком, неподготовленным стажером в секретной лаборатории в стиле Джеймса Бонда (если бы программа 007 была о животных, а не супер-злодеях, конечно). Козы в Северном загоне, беговая дорожка за этой дверью, кислородные анализаторы на тележке. Удачи, постарайся ничего не сломать и не забудь убрать козье дерьмо. В некоторые дни, особенно тяжелые, было трудно понять разницу между погруженным изучением и ощущением того, что я реально тону. И мне это нравилось.

Я провел все утро, пытаясь заставить собаку по кличке Оскар двигаться на беговой дорожке и измеряя энергию, которую он расходовал при обычной ходьбе и беге. Для проведения исследования мне приходилось надевать собакам на голову большую прозрачную пластиковую маску – импровизированный шлем астронавта, сделанный из трехлитровой бутылки содовой, – чтобы выдыхаемый воздух попал точно в кислородный анализатор. Оскар – питбуль, мы взяли его из приюта, он был верным спутником моей сокурсницы Моники и так любил беговые дорожки, что иногда это было больше похоже на манию. Тогда помогало только то, что я размазал хот-дог по внутренней стороне его маски. Кабинет Моники находился чуть дальше по коридору от лаборатории с беговыми дорожками, и она должна была удостовериться, что Оскар был внутри за закрытой дверью всякий раз, когда другая собака занимала беговую дорожку, чтобы питбуль не приревновал.

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.

Благодаря эволюции мы очень чувствительны к изменению энергетических затрат при ходьбе. Поставьте кого-нибудь на беговую дорожку и медленно увеличьте скорость, и он, естественно, переключится с ходьбы на бег очень близко к скорости метаболического перехода, когда бег требует меньшего количества энергии[22]. Попросите испытуемых пройтись по дорожке в обычном темпе или понаблюдайте за людьми, идущими по тротуару, и вы обнаружите, что они держатся довольно близко к энергетически оптимальной скорости. Привычная скорость ходьбы также зависит от наших целей и окружающей среды. Скорость людей в больших быстро развивающихся городах или членов племени хадза, которые вынуждены быстро передвигаться, обычно выше, чем энергетически оптимальная. Видимо, при определенных обстоятельствах мы готовы тратить немного больше энергии на километр, чтобы сэкономить время и пройти больше. Как и других животных, эволюция научила нас стратегически подходить к тому, как мы тратим энергию.

Энергетические затраты на ходьбу (ккал/км) увеличиваются по мере ускорения из-за механики походки. Мы поднимаемся и опускаемся с каждым шагом, центр тяжести перемещается будто по американским горкам. Эти движения вверх-вниз становится все труднее выполнять по мере ускорения. Когда мы переходим на бег, ноги превращаются в пружинистые палки и мы как бы подпрыгиваем от шага к шагу. Мы все также поднимаемся и опускаемся при каждом шаге, но благодаря пружинной механике соотношение скорости и затрачиваемой энергии становится более уравновешенным.

Энергетическая «стоимость» езды на велосипеде и плавания на километр увеличивается со скоростью, однако уже по другим причинам. Дело в том, что, плавая или катаясь на велосипеде, вы как бы перемещаетесь сквозь жидкую субстанцию (воздух или воду) и энергия расходуется на противостояние сопротивлению. Чем быстрее вы двигаетесь, тем сильнее сопротивление. Этот эффект чрезвычайно силен и в плавании: увеличение скорости всего с 3 км/ч до 5 км/ч вызывает рост энергетических затрат за один км примерно на 40 % (Рис. 3.2). При езде на велосипеде энергетические затраты на борьбу с сопротивлением не так заметны, если ваша скорость ниже 16 км в час (одна из причин того, что сопротивление воздуха не является важным фактором при беге). Если скорость выше 16 км в час, то влияние сопротивления увеличивается. Велосипедист весом 70 кг потратит на 10 ккал больше за км, чтобы увеличить скорость с 15 до 30 км в час; увеличение с 30 до 50 км в час будет стоить на 15 ккал больше за километр (Рис. 3.2). Эти показатели актуальны при отсутствии ветра, который будет влиять на лобовое сопротивление, увеличивая или уменьшая поток воздуха относительно движущегося человека. Езда на велосипеде со скоростью 32 км в час при встречном ветре 16 км в час приведет к тому же сопротивлению, что и езда со скоростью 48 км в час при безветренной погоде.

Скорость движения влияет на расход энергии – чем быстрее мы двигаемся, тем быстрее сжигаем калории.

Удивительно, но обучение и техника лишь незначительно влияют на энергетическую «стоимость» передвижения. Исследования профессиональных бегунов дали разные результаты: первые ученые обнаружили, что обученные спортсмены сжигают меньше энергии на километр, однако вторые сообщили об отсутствии разницы. Другие эксперименты основывались на более контролируемом подходе: в течение нескольких недель или месяцев проводились исследования испытуемых, во время которых измеряли их энергетические затраты. Эти исследования не всегда показывают измеримое влияние, оказанное на энергетическую «стоимость» километра, но даже в тех работах, которые действительно демонстрируют разницу, эффект обычно невелик, около 1–4 %. Это может быть важно в спорте высших достижений, где гонки выигрываются или проигрываются за доли секунды, но вряд ли будет заметно среднему человеку.

Техника и оборудование также почти не оказывают никакого значимого воздействия. В исследовании об энергетических затратах во время плавания Капелли и его коллеги сообщили о том, что спортсмены, плавающие на спине, баттерфляем или в вольном стиле, расходуют почти одинаковое количество энергии (брасс требует уже других затрат). По-видимому, вы можете плавать практически в любом стиле, и это мало влияет на энергозатраты. То же самое касается и бега. Интернет полон тонких и трезвых советов о том, как держать руки во время бега, но это в основном чушь, по крайней мере с точки зрения метаболизма. Вы можете ходить или бегать, скрестив руки на груди, за спиной или вытянув над головой, и это только увеличит количество сжигаемых калорий на 3–13 %. Новейшая технология в этой сфере – это обувь Nike Vaporfly, которая за 250 долларов обещает снизить энергетические затраты примерно на 4 процента. Это впечатляющая инженерия, но для 70-килограммового человека 4-процентная экономия составляет всего 2,5 ккал на км, что эквивалентно энергии в одном драже M&M’s. Это сокращение затрат вряд ли будет иметь большое значение, если вы не соревнуетесь с другими профессиональными спортсменами. Поскольку «стоимость» одного километра увеличивается с массой тела, то типичный американец с лишним весом рациональнее расходовал бы энергию при беге (и при всех остальных видах физической активности), если бы сбросил несколько килограмм. Снижение массы тела на один процент равно аналогичному снижению энергозатрат.

Километры за пончик

Для того, чтобы определить количество энергии, затраченное на различные виды деятельности, мы можем использовать уравнения для расчета «стоимости» ходьбы, бега и лазания. На самом деле, сами по себе энергетические затраты на физическую активность очень малы. Давайте возьмем в пример взрослого человека весом 70 кг. Даже если он проходит рекомендуемые 10 000 шагов в день (около 8 км), то это всего лишь около 250 ккал – примерно столько же, сколько в одной бутылке содовой (240 ккал) или в половине биг-мака (270 ккал). Подъем на один лестничный пролет сжигает 3,5 ккал – это даже меньше энергии, чем в шарике M&M. Вам придется пробежать 5,5 км, чтобы сжечь калории, которые наберете, съев один шоколадный глазированный пончик (340 ккал) и более 12 км, чтобы компенсировать большой молочный коктейль из Mcdonald’s (840 ккал).

При более экстремальных видах спорта энергетические затраты, конечно же, выше. Все тот же спортсмен весом 70 кг, пробежав марафон, сожжет около 2690 ккал. Во время триатлона Ironman (заплыв на 3,8 км, велогонка на 180 км, бег на 42,2 км) спортсмен сожжет около 8000 ккал, если предположить, что средняя скорость езды на велосипеде будет 40 км в час (Рис. 3.2) и плыть он будет очень быстро. За 160-километровый ультрамарафон вы сожжете 16 500 ккал, и это без учета затрат на подъем в гору. Пеший поход по Аппалачской тропе[23] с 14-килограммовым рюкзаком за спиной «стоит» около 140 000 ккал.

А как насчет Миле и других женщин хадза, которые каждый день ходят, чтобы найти и принести домой еду? Представители племени, как правило, меньше ростом, чем взрослые в развитых странах. Они в среднем весят около 43 кг. Тем не менее типичная женщина хадза, проходящая 8 км каждый день, сжигала бы около 63000 ккал в течение года только при ходьбе. Это очень много энергии.

Но все равно меньше, чем затраты на выращивание ребенка.

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], 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.