Новое исследование метаболизма перевернуло общепринятые представления о том, как мы сжигаем калории

Исследования метаболизма дают нам удивительное понимание того, как мы сжигаем калории, и как совместное добывание пищи привело Homo sapiens к процветанию, пишет The Scientific American.

Херман Понцер (Herman Pontzer)

Мы праздновали седьмой день рождения моей дочери Клары, и сцена вышла одновременно знакомая и немного странная. Это была классическая вариация на тему: совместная трапеза из пиццы и еды для пикника, кружок близких друзей и родственников, на которых не распространяется коронавирусный карантин, сияющий ребенок задувает свечи на торте с обильной глазурью. Каждый день примерно 380 тысяч мальчикам и девочкам исполняется семь, и этот ритуал, без сомнения, повторяется по всему земному шару: самый плодовитый примат в мире напевает "С днем рождения" глобальным хором.

Столь здоровая и приятная обстановка едва ли покажется местом, где бескомпромиссно нарушаются правила. Но как антрополог-эволюционист я не мог не отметить вопиющего пренебрежения нашего вида к естественному порядку. Почти каждая сторона нашей современной жизни знаменует собой возмутительно триумфальный отход от законов, которым подчиняются остальные виды на планете, и этот день рождения не стал исключением. Кроме разве что свежих овощей, которые благополучно бросили портиться на солнце, ни один из продуктов не был естественным. Торт представлял собой термообработанную смесь измельченных семян, куриных яиц, коровьего молока и экстрагированного свекловичного сахара. На восстановление исходных продуктов для других закусок и напитков у судмедэкспертизы ушли бы целые годы. Это была кладезь калорий, о которой животные, добывающие пищу в дикой природе, могли лишь мечтать, а мы беззаботно отдавали их людям с чужими генами. И все это чтобы отпраздновать подозрительное астрономическое событие, когда наша планета заняла то же положение относительно некой звезды, что и в день рождения моей дочери. В семь лет большинство млекопитающих становятся бабушками и дедушками — если им в принципе посчастливилось выжить. Клара же еще ребенок и не выживет без нашей еды и крова, а до мало-мальской независимости ей остается еще много лет.

Такими отступниками от законов люди были не всегда. Наоборот, у нас хорошая родословная. Современные человекообразные обезьяны, наши ближайшие родственники, ведут себя как подобает: едят фрукты и листья прямо с дерева и время от времени охотятся на насекомых или мелкую дичь. Как и любое другое млекопитающее, человекообразные обезьяны с детства умеют за себя постоять, сами добывают пищу, как только их отнимают от груди, и знают наверняка, что добычу лучше съесть самому. Окаменелости из недр человеческой истории, первых четырех миллионов лет после того, как мы отделились от других человекообразных обезьян, подтверждают: наши прародители играли по тем же экологическим правилам.

Однако около 2,5 миллионов лет назад события приняли неожиданный оборот. Ранние популяции рода Homo нашли на новый способ добывать пропитание, доселе невиданный. Вместо однозначной "карьеры" травоядных, плотоядных или всеядных люди перешли на странную двойственную стратегию: одни охотились, а другие занимались собирательством, а потом все делились добычей. Этот совместный подход требовал ставки на интеллект, и на протяжении тысячелетий размер мозга увеличивался. Наши палеолитические предки уже научились изготавливать тонкие лезвия из каменных булыжников, охотиться на крупную дичь и готовить ее. Они построили очаги и дома и начали преобразовывать ландшафт и развили экологические навыки, которые в итоге привели к сельскому хозяйству.

Эти эволюционные сдвиги ощущаются и поныне. Совместная добыча пищи, подтолкнувшая наших предков, охотников, собирателей и земледельцев, к тому, чтобы нарушить давно установленные экологические правила, не просто изменила наш рацион. А еще и основополагающие моменты нашей биологии — в том числе наш обмен веществ. Та же немыслимая вереница событий, что подарила нам торт ко дню рождения, сказывается и на наших пищевых привычках и сжигании калорий.

Слушая бесконечные разговоры об обмене веществ в мире упражнений и диет, можно подумать, что наука на этот счет высказалась предельно однозначно. На самом деле, как ни обидно, но нам не хватает достоверных данных как о калориях, что мы сжигаем каждый день, так и о том, как мы вообще развились, чтобы их усваивать. Но недавно мы с коллегами значительно продвинулись в понимании телесного энергопотребления. Наши выводы опровергли ряд общепринятых представлений о том, как меняются потребности человека в энергии в течение жизни. И, как мы обнаружили, наши энергетические потребности тесно переплетены с развитием стратегии добывания пищи: собирательства и земледелия. В совокупности эти исследования дают более четкую картину, как работает человеческий двигатель и как наш необычайный успех как вида строится на стратегии потребления, сжигания и обмена калориями.

Энергетический бюджет

Наши тела — чудеса скоординированного хаоса. Каждую секунду все 37 триллионов клеток вашего организма усердно работают: получают питательные вещества, создают новые белки и выполняют массу других задач по поддержанию жизни. Вся эта работа требует энергии. Обмен веществ — это энергия, которую мы тратим каждый день (или, если угодно, потраченные калории). Эта энергия поступает из потребляемой пищи, поэтому наш обмен веществ определяет и наши потребности в энергии — калории на входе и на выходе.

Биологи-эволюционисты нередко считают обмен веществ чем-то вроде энергетического баланса организма. Основные жизненные задачи — рост, размножение и поддержание тела — требуют энергии. И каждый организм должен сводить дебет с кредитом.

Люди — яркий пример этой эволюционной бухгалтерии в действии. Особенности, которые отличают нас от других обезьян — в том числе наш огромный мозг, крупные дети и долгая жизнь — требуют больших затрат. Часть из них мы покрываем за счет того, что меньше тратимся на пищеварительную систему: наш кишечник короче, а печень — меньше. Но еще мы ускорили метаболизм и увеличили энергетический бюджет. Для своего размера тела люди потребляют и сжигают калорий больше остальных обезьян. Наши клетки развились и работают усерднее.

Работа наших тел меняется по мере старения: активность наших клеток возрастает и ослабевает в хореографическом танце от роста к зрелости и старости. Отслеживание этих перемен в обмене веществ объяснит, какую работу наши клетки выполняют в каждом возрасте при постоянно меняющихся потребностях в калориях. Но получить четкую картину нашего обмена веществ на протяжении всей жизни непросто.

Очевидно, что взрослым нужно больше калорий, чем младенцам, а у более рослых людей больше клеток, которые выполняют больше работы, поэтому они и сжигают больше энергии. Еще мы знаем, что пожилые, как правило, едят меньше, но зачастую это сопровождается потерей массы тела, особенно мышечной. Но если мы хотим прояснить активность наших клеток и скорость метаболизма по мере взросления и старения, то нужно разделить роль возраста и размера, а это непросто. Понадобится большая выборка людей всех возрастов и одинаковые методы измерения. В идеале нужен подсчет ежедневно потребляемых калорий и расхода энергии.

Исследователи замеряют скорость метаболизма в состоянии покоя уже больше века, и есть данные, что он быстрее у детей и медленнее у пожилых. Однако на метаболизм в состоянии покоя приходится лишь порядка 60% калорий, что мы сжигаем в течение суток: сюда не входит энергия, которую мы тратим на упражнения и другую физическую активность. Сетевые калькуляторы калорий якобы это учитывают, но на самом деле это всего лишь догадка на основе вашего веса и физической активности с ваших же слов. В отсутствие веских доказательств бытует своего рода народная мудрость, которую тщательно пестуют харизматичные торгаши всякими средствами по "разгону метаболизма" и прочими припарками. Нам говорят, что обмен веществ ускоряется в период полового созревания и замедляется в среднем возрасте, особенно в период менопаузы, и что у мужчин он в целом быстрее, чем у женщин. Ни одно из этих утверждений не основано на научных данных.

Метаболическая база данных

Мы с коллегами начали заполнять этот пробел. В 2014 году Джон Спикман, исследователь обмена веществ из Абердинского университета в Шотландии и Китайской академии наук в Шэньчжэне, организовал международную работу по созданию большой метаболической базы данных. Важно отметить, что она строится на ежедневном расходе энергии, измеренном по методу двойной маркировки воды (отслеживание изотопов, который измеряет вырабатываемый организмом углекислый газ и, следовательно, сожженные калории) в течение одной-двух недель. Двойная маркировка воды — своего рода золотой стандарт для измерения ежедневных энергетических трат, но это дорого, и для изотопных анализов нужна специализированная лаборатория. Поэтому хотя этот метод существует уже несколько десятилетий, больших исследований практически не проводилось. Под руководством Спикмена дюжина лабораторий по всему миру, включая мою, свели воедино данные за несколько десятилетий. В итоге мы получили данные более 6 400 человек, от восьмидневных младенцев и до мужчин и женщин за 90.

В 2021 году, после нескольких лет совместной работы, мы опубликовали первое всестороннее исследование о влиянии возраста и размера тела на ежедневный расход энергии. Как и ожидалось, мы выяснили, что скорость обмена веществ увеличивается с размером тела: люди покрупнее сжигают больше калорий. Главным определяющим фактором ежедневного расхода энергии стала безжировая масса (мышцы и другие органы). Это весьма логично. Жировые клетки не так активны, как клетки печени, мозга и других тканей, и их вклад в ежедневные траты невелик. Еще важно, что, установив четкую связь между массой тела и скоростью обмена веществ, мы смогли, наконец, проверить эту зависимость в разном возрасте.

В итоге мы пришли к откровению, получив первую дорожную карту обмена веществ на протяжении всей жизни. Мы обнаружили, что с точки зрения метаболизма дети появляются на свет как маленькие взрослые, поскольку развиваются из материнского энергетического бюджета. Но в течение первого года жизни обмен веществ резко ускоряется, так что к своему первому дню рождения дети сжигают энергии на 50% больше, чем можно ожидать от их размера. Их клетки гораздо более загружены работой, чем у взрослых: они усердно растут и развиваются. Более ранние исследования о поглощении глюкозы детским мозгом предполагают, что отчасти эта работа связана с ростом нейронов и развитием синапсов. Безусловно, сказывается и созревание других систем. Обмен веществ остается повышенным все детство, постепенно замедляется в подростковом возрасте и достигает взрослого уровня примерно к 20 годам. У мальчиков снижение медленнее, чем у девочек (это коррелирует с их более медленным развитием), но в период полового созревания скачков не наблюдается ни у тех, ни у других.

Пожалуй, главным сюрпризом стала стабильность обмена веществ в среднем возрасте. Ежедневные энергетические затраты в возрасте от 20 до 60 лет остаются удивительно стойкими. Никакого замедления ни в среднем возрасте, ни во время менопаузы.

Многие во взрослом возрасте набирают вес, но обмен веществ в этом не виноват. Мне за 40, и я искренне верил в народную мудрость, что обмен веществ с возрастом замедляется. Мое тело за последние 10 или 20 лет явно изменилось. Но это словно охота на снежного человека от метаболизма: вы видите то, чего на самом деле нет. То же и с нашумевшими метаболическими различиями между мужчинами и женщинами. У женщин ежедневные энергетические затраты в среднем ниже, но это лишь потому, что сами женщины, как правило, меньше, а в их телах больше жира. Сравните мужчин и женщин с одинаковой массой тела и процентным содержанием жира в организме, и разница в обмене веществ исчезнет.

Мы обнаружили замедление обмена веществ с возрастом, но не раньше 60 лет. После 60 метаболизм замедляется примерно на 7% за десятилетие. К девяностолетнему возрасту ежедневные расходы мужчин и женщин в среднем на 20–25% ниже, чем у пятидесятилетних. Это с учетом размера и состава тела. Cнижение расходов усугубляется с потерей веса с возрастом — особенно уменьшение мышечной массы. Как и во всех возрастных группах, наблюдается значительная индивидуальная изменчивость. "Молодой" и быстрый обмен веществ в пожилом возрасте может быть признаком хорошего старения или даже защиты от сердечных заболеваний, слабоумия и других признаков старости. Теперь мы можем исследовать эти связи дальше. Благодаря нашей метаболической дорожной карте нас ждет новый мир исследований.

Но уже сейчас очевидно, что кусок праздничного торта — не одно и то же для семилетней девочки, ее папы средних лет и пожилой бабушки. Кусок Клары наверняка отправится к рабочим клеткам и пойдет на дальнейшее развитие. Мой — на "техническое обслуживание", чтобы устранить все накопленные в за день мелкие повреждения. Что же до бабушки, то ее стареющие клетки уже не торопятся сжигать калории, откладывая их вместо этого в виде гликогена или жира. У всех нас торт превратится в жир, если мы потребим больше калорий, чем сожжем.

"Дорожная карта" выдвигает на первый план главную загадку человеческой жизни. Где бы они не появились на свет, в лагере охотников-собирателей, в деревне или промышленном мегаполисе, детям нужен прокорм. Другие человекообразные обезьяны научаются добывать себе пищу к тому времени, когда их отнимают от груди — примерно в возрасте трех или четырех лет. Наши же дети годами полностью зависят от окружающих, и становятся самостоятельными лишь в подростковом возрасте. Они совершенно не способны за себя постоять, но при этом у них величайшие потребности в энергии. Мало того, что наш вид развил скорейший обмен веществ и крупнейшие потребности в энергии по сравнению с другими обезьянами, нам еще и нужно обеспечить едой драгоценное потомство более чем на десятилетие. Откуда нам взять эти калории? Недавно мы с коллегами проработали и эту часть энергетического уравнения.

"Дорогие" дети

Вопрос о калориях остро стоит в сообществах охотников-собирателей и земледельцев, где повседневная жизнь завязана на добычу пропитания. На протяжении почти всей истории это было основным направлением нашей деятельности — как и у других видов. Каждый ребенок знал, кем он станет, когда вырастет. Еще в середине XIX века более половины американцев составляли крестьяне.

Последние десять лет мы с коллегами пытались разобраться в экономике калорий народа хадза на севере Танзании. Хадза — племя небольшое, около 1 000 человек. Около половины из них ведут традиционный образ жизни: добывают пищу в родной саванне охотой и собирательством. Сегодня идеальной модели прошлого уже не найти, но народы вроде хадза во многом продолжают эти традиции и дают живой пример, как работают эти системы. Мужчины бóльшую часть дня охотятся с луком и стрелами и рубят полые ветки, чтобы поживиться диким медом. Женщины собирают ягоды и другую растительную пищу или выкапывают из каменистой почвы дикие клубни. В деревне хадза из травяных хижин посреди акаций жизнь бьет ключом: дети бегают, смеются, играют и ждут, пока взрослые принесут им еду.

Мы замерили энергетический баланс хадза методом двойной маркировки воды и получили четкое представление о ежедневном приходе и расходе калорий. Мы притащили в саванну портативное респирометрическое оборудование, этакую компактную метаболическую лабораторию, чтобы измерить затраты энергии на ходьбу, лазание, выкапывание клубней и рубку деревьев. А за годы тщательного наблюдения удалось зафиксировать, сколько часов уходит на добывание пищи — и сколько ее поступает. За десятилетие работы мы составили исчерпывающий отчет об энергетической экономике хадза: сколько калорий, ушло на добывание пищи, сколько получено, разделено с другими и потреблено.

Работу нашей команды по сравнению энергетического баланса хадза с аналогичными данными других групп людей и обезьян возглавил Том Крафт из Университета Юты. Это был масштабный проект: пришлось поднять старые этнографические отчеты об охотниках-собирателях и земледельцах, экологические исследования и замеры обезьян по методу двойной маркировки воды, чтобы восстановить их кормодобывающую экономику. И когда мы закончили, возникло новый взгляд на успех нашего вида — его энергетическая основа. Наконец-то мы увидели, откуда берутся все эти калории, энергия, необходимая для подпитки дорогостоящего человеческого метаболизма и воспитания беспомощных детей.

Умное сотрудничество

Оказывается, уникальная совместная стратегия в сочетании с нашим умным мозгом и умение пользоваться инструментами невероятно повысила эффективность охоты и собирательства. Даже в суровой и бесплодной саванне северной Танзании мужчины и женщины племени хадза потребляют в среднем от 500 до 1 000 килокалорий в час. Этнографические записи других сообществ по всему миру предполагают, что эти показатели во многом типичны для охотников-собирателей. Пять часов охоты и собирательства могут принести от 3 000 до 5 000 гарантированных килокалорий — этого достаточно для удовлетворения ежедневных потребностей собирателя и прокорма детей.

Это двигатель обратной связи и вывел человечество на новые высоты. Охота и собирательство оказались настолько продуктивны, что создают избыток энергии. Эти дополнительные калории идут потомству, а это означает, что у них высвобождается время на развитие и обучение навыкам, благодаря которым они сделаются еще более умелыми собирателями. Достигнув совершеннолетия, они пойдут по пути родителей и станут добывать излишки пищи и делиться калориями со следующим поколением. С течением времени детство становится все длиннее, поскольку стратегии поиска пищи усложняются. Продолжительность жизни также увеличивается благодаря естественному отбору, который обеспечивает дополнительные годы продуктивной добычи пищи для детей и внуков. Бабушки и дедушки, когда-то большая редкость, стали неотъемлемой частью социальной сети.

Обезьяны в дикой природе не столь плодотворны в сборе пищи. Медицинский учет энергетических ресурсов шимпанзе, горилл и орангутангов показал, что самцы и самки получают от 200 до 300 килокалорий в час. Им требуется семь часов добывания пищи лишь на удовлетворение собственных потребностей. Неудивительно, что они не делятся с окружающими.

Наше сверхпродуктивное собирательство обходится недешево. Общины охотников-собирателей тратят на добывание пищи энергии вдвое больше, чем человекообразные обезьяны в дикой природе. Поразительно, но человеческие технологии и интеллект не сделали нас энергоэффективными. Мужчины и женщины племени хадза достигают того же скромного соотношения приобретенной и затраченной энергии, что и у диких обезьян. Сотрудничество и культура позволили собирателям экономить невероятно много времени, получая больше калорий в час, но наши уникальные стратегии поиска пищи по-прежнему требуют больших энергетических затрат. Охота и собирательство — тяжелая работа.

Землепашество не проще, но продуктивнее, как показал наш анализ. Когда мы сравнили энергетический баланс племени хадза и других охотников-собирателей с традиционными земледельческими сообществами, то выяснили, что те обычно производят гораздо больше калорий в час. Индейцы-чимане, населяющие тропические леса Амазонки в Боливии, дают полезную точку для отсчета. Представители племени получают основую часть калорий от земледелия, но при этом охотятся, ловят рыбу и собирают дикорастущие растения. Но главный источник энергии для них — выращенная пища, и благодаря ей они получают калорий в час вдвое больше, чем хадза. Они также энергоэффективнее по соотношению затраченных калорий и добытой пищи.

Эти лишние калории воплощаются в детях, бегающих по их деревням. Обилие еды и ее доступность снижают рабочую нагрузку для матерей: племени проще воспитывать детей. Как и во многих общинах, живущих натуральным хозяйством, семьи у племени, как правило, большие. Женщины рожают в среднем по девять детей. Для сравнения, в племени хадза у каждой матери в среднем по шесть детей, поэтому роль дополнительной энергии очевидна. И так не только у индейцев-чимане. У земледельцев уровень рождаемости, как правило, выше, чем у охотников-собирателей. Рост плодородия — важная причина, почему земледелие обогнало охоту и собирательство в эпоху неолита, то есть примерно от 12 тысяч до 6 500 лет назад. Археологические раскопки в Евразии и Америке говорят о росте числа детей и подростков после развития сельского хозяйства.

Всем по куску пирога

С этой точки зрения детский день рождения — не просто личная веха. Это праздник нашей невероятной эволюционной истории. Во-первых, это, конечно, еда. Муку и сахар для торта мы получили от наших предков-земледельцев, а огонь для выпечки — из эпохи палеолита. Молоко и яйца нам достались от животных, которых мы полностью одомашнили из тех видов, на которых прежде охотились, веками кропотливого труда. И есть календарь, где мы отмечаем наши дни и годы — изобретение земледельцев, которым нужно точно знать, когда сеять и жать. Охотники-собиратели знают времена года и лунные циклы, но точные календари им ни к чему. В деревне хадза нет дней рождения.

Но главный элемент любого праздника — это друзья и родственники. Несколько поколений собираются вместе, чтобы поесть, посмеяться и попеть. Наш эволюционный общественный договор — охота, собирательство и совместное хозяйство — сплотил нас, подарил нам детство и продлил наши золотые годы. Совместная добыча пищи также привела к усложнению культуры и новшествам, благодаря которым дни рождения и другие ритуалы стали столь разнообразными. И в основе всего этого — основополагающая тяга поделиться с ближним.

Сегодня на планете нас восемь миллиардов, и некоторые забеспокоились, что это слишком много. Мы нарастили свои энергетические бюджеты благодаря меняющему климат ископаемому топливу и наводнили мир дешевой едой. Калории стало настолько легко производить, что немногие из нас тратят время на добычу пищи — впервые в истории. Этот масштабный сдвиг стал благом для нашего коллективного творчества, позволив многим посвятить себя профессиям, не связанным с производством продуктов питания, — стать художниками, врачами, учителями и учеными. Заняв собственную уникальную нишу, далекую от законов, по которым живет остальной мир природы, мы можем рассчитывать лишь на самих себя. Если нам немного повезет и мы не бросим сотрудничать, то человеческий род отпразднует еще много дней рождения. Загадывайте желание!