Утром в среду Герман Понцер надевает помятый лабораторный халат и направляется в свою лабораторию в Университете Дьюка. Его студентка Кристина отдыхает на лабораторном столе, положив голову в прозрачный пластиковый колпак. Понцер приступает к проверенному временем методу повышения кровяного давления: он дает ей устный тест по математике.
«Начните с числа 1022 и вычитайте 13, пока не дойдете до нуля. Если вы сделаете ошибку, мы начнем сначала. Вы готовы?»
Студентка пробует и доходит до 997, пробует снова и доходит уже до 889. Это происходит снова и снова. Затем Понцер просит её вслух умножить 505 на 117. К этому моменту она сжимает пальцы ног в носках.
Еще два помощника следят за частотой её сердцебиения и количеством углекислого газа (CO2), который она выдыхает в вытяжку. Затем Понцер задает ряд вопросов, призванных повысить уровень стресса студентки: Какова работа её мечты, и что именно она собирается делать после окончания университета?
Таким образом, Понцер и его студенты измеряют, сколько энергии затрачивают люди, когда испытывают стресс, занимаются спортом или вырабатывают иммунный ответ на вакцину, среди прочих состояний. Измеряя содержание CO2 в дыхании Кристины, он выясняет, сколько энергии она сожгла, пока справлялась с математической тревогой.
Миссия Понцера — понять, как человеку, единственному среди человекообразных обезьян, хватает энергии на всё, что у нас есть: большой мозг, продолжительное детство, много детей и относительно долгая жизнь.
Энергетический бюджет, необходимый для поддержания всего этого, включает в себя компромиссы между энергией, затрачиваемой на физические упражнения, размножение, стресс, болезни и жизненно важные функции.
Пытаясь разгадать эти компромиссы, с помощью метода, разработанного физиологами, изучающими ожирение, Понцер и его коллеги систематически измеряют общее количество энергии, потребляемой в день животными и людьми в различных сферах жизни.
Ответы, полученные на основе этих данных, часто удивляют: Физические упражнения не помогают сжигать больше энергии в среднем; активные охотники-собиратели в Африке не тратят больше энергии в день, чем малоподвижные офисные работники в Иллинойсе; беременные женщины не сжигают больше калорий в день, чем другие взрослые, после поправки на массу тела.
Метаболизм в течение жизни
С поправкой на массу тела малыши сжигают больше всего калорий в день. Общие энергетические затраты (ОЭЗ) снижаются после 60 лет, хотя у отдельных людей наблюдаются некоторые различия (серые точки).
Мастерство Понцера как популяризатора может смущать некоторых его коллег. Его утверждение о том, что физические упражнения не помогут вам сбросить вес, «лишено нюансов», говорит физиолог Джон Тифолт из Медицинского центра Канзасского университета, который считает, что это может подтолкнуть диетчиков к менее здоровым привычкам.
Но другие говорят, что помимо того, что работа Понцера разрушает мифы об энергетических затратах человека, она предлагает новый взгляд на физиологию и эволюцию человека. Как он написал в книге Burn, «в экономике жизни калории — это валюта».
«Его работа является революционной», — говорит палеоантрополог Лесли Айелло, бывший президент Фонда Веннера-Грена, который финансировал работу Понцера. «Теперь у нас есть данные… которые дали нам совершенно новую основу для понимания, как люди адаптировались к энергетическим ограничениям».
Сын двух школьных учителей английского языка, Понцер вырос на 40 гектарах леса на Аппалачских холмах недалеко от небольшого городка Керси, штат Пенсильвания. Его отец, который помогал строить их дом, научил Понцера быть любопытным к тому, как работают вещи, и чинить их. «Никто никогда не вызывал сантехников или электриков», — вспоминает Понцер.
Эти уроки самостоятельности и общительный характер помогли ему справиться с ситуацией, когда его отец умер, когда Понцеру было всего 15 лет. Старший двоюродный брат также взял его с собой на скалолазание, что научило его быть одновременно смелым и организованным — навыки, которые, по его словам, позже помогли ему идти на интеллектуальный риск и оспаривать устоявшиеся идеи. «Когда у вас случаются неприятности и жизнь выбивает вас из колеи, это пугает», — говорит Понцер. «Но нужно двигаться вперед, и это учит тебя не бояться нового».
Понцер подал документы в один колледж — Государственный университет Пенсильвании, футбольные матчи которого были главным событием его детства. «Я предполагал, что буду как мой отец — поступлю в Пенсильванский государственный университет, получу диплом учителя и останусь в Керси», — говорит он. Но в Пенсильванском университете он работал с известным палеоантропологом Аланом Уокером и задумался об аспирантуре по биологической антропологии.
Узнав, что его многообещающий студент выбирает учебные заведения по близости к горам, Уокер был откровенен: он сказал Понцеру, что тот будет идиотом, если не подаст документы в Гарвардский университет, а когда Понцера примут, он будет идиотом, если не поступит.
Понцер поступил. В начале 2000-х годов ученые мало что знали об общих энергетических затратах человека (ОЭЗ) — количестве килокалорий («калорий» на этикетках продуктов питания), которое 37 триллионов клеток человека сжигают за 24 часа. Исследователи измеряли скорость, с которой наш организм сжигает энергию в состоянии покоя — базальную скорость метаболизма (BMR), которая включает энергию, используемую для дыхания, кровообращения и других жизненно важных функций. Они знали, что BMR примерно одинакова у крупных млекопитающих с поправкой на размер тела. Поэтому, хотя BMR отражает только 50%-70% общего потребления энергии, исследователи посчитали, что в килограммах человек сжигает энергию примерно с той же скоростью, что и другие приматы.
Но у людей есть дополнительные затраты энергии: наш большой мозг, на который приходится 20% дневного потребления энергии. Айелло предположил, что наши предки компенсировали эти дорогие мозги, за счет развития кишечника и других органов меньшего размера. Другие считали, что люди экономили энергию, эволюционируя, чтобы ходить и бегать более эффективно.
В Гарварде Понцер хотел проверить эти идеи, но понял, что для этого недостаточно данных: Никто не знал, сколько общей энергии расходуют приматы при движении, и тем более не знал, как различия в анатомии или компромиссы в размерах органов влияют на энергопотребление. «Мы говорили об адаптации опорно-двигательного аппарата у гоминин, мы говорили об эффективности, мощности и силе, но все это [было] как бы выдумано», — говорит Понцер.
Он понял, что должен вернуться к основам, измеряя калории, затраченные людьми и животными при ходьбе и беге на беговых дорожках. Млекопитающие используют кислород для преобразования сахаров из пищи в энергию, при этом побочным продуктом является CO2. Чем больше CO2 выдыхает млекопитающее, тем больше кислорода и калорий оно сожгло.
Для своей докторской диссертации Понцер измерил, сколько CO2 выдыхают собаки и козы во время бега и ходьбы. Например, он обнаружил, что собаки с длинными ногами тратят меньше энергии на бег, чем корги, о чем он сообщил в 2007 году, вскоре после того, как получил свою первую работу в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Со временем, по его словам, «то, что начиналось как невинный проект по измерению стоимости ходьбы и бега у людей, собак и коз, переросло в своего рода профессиональную одержимость измерением энергозатрат».
Понцер до сих пор измеряет количество выдыхаемого CO2, чтобы получить данные о калориях, сожженных при определенном виде деятельности, как он это делал в стресс-тесте Кристины. Но он обнаружил, что физиологи разработали лучший способ измерения TEE в течение дня: метод двойной маркировки воды, который измеряет TEE, не требуя от испытуемого дышать в вытяжку в течение всего дня.
Физиолог Дейл Шуллер, работающий сейчас в Висконсинском университете в Мэдисоне, адаптировал этот метод, впервые использованный на мышах, для людей.
Люди пьют безвредный коктейль из маркированной воды, в которой различные изотопы водорода и кислорода заменяют обычные формы. Затем исследователи берут у них пробы мочи несколько раз в течение недели. Маркированный водород проходит через организм в мочу, пот и другие жидкости, но когда человек сжигает калории, часть маркированного кислорода выдыхается в виде CO2.
Таким образом, соотношение маркированного кислорода и маркированного водорода в моче служит мерой того, сколько кислорода в среднем использовали клетки человека за день и, следовательно, сколько калорий было сожжено. Этот метод является золотым стандартом для определения общего потребления энергии, но его стоимость составляет 600 долларов за тест, и он был недоступен для большинства эволюционных биологов.
Первый из многих прорывов Понцера в этом методе произошел в 2008 году, когда, получив небольшой грант от Фонда Веннера-Грена, он получил возможность собрать образцы в заповеднике и исследовательском центре Great Ape Trust в Айове. Там приматолог Роб Шумейкер напоил «изотопным чаем» (тест с двойной маркировкой) четырех орангутангов. Понцер беспокоился о сборе мочи у взрослой обезьяны, но Шумейкер заверил его, что орангутанги приучены мочиться в чашку.
Позже той же осенью, когда Понцер получил результаты анализа мочи, он им не поверил: Орангутанги сжигали одну треть энергии, ожидаемой для млекопитающего такого размера. Повторный анализ дал те же результаты: Ази, взрослый самец весом 113 килограммов, например, сжигал 2050 килокалорий в день, что гораздо меньше, чем 3300, которые обычно сжигает 113-килограммовый человек.
«Я был в полном недоверии», — говорит Понцер. Возможно, орангутанги были «ленивцами в родословной обезьян», — думает он, — потому что в прошлом они испытывали длительную нехватку пищи и эволюционировали, чтобы выживать на меньшем количестве калорий в день».
Последующие исследования воды с двойной меткой, проведенные на обезьянах в неволе и в заповедниках, разрушили общепринятое мнение о том, что все млекопитающие имеют схожую скорость метаболизма с поправкой на массу тела. Среди человекообразных обезьян люди являются исключением. С поправкой на массу тела мы сжигаем на 20% больше энергии в день, чем шимпанзе и бонобо, на 40% больше, чем гориллы, и на 60% больше, чем орангутаны, сообщили Понцер и его коллеги в журнале Nature в 2016 году.
Высокоэнергетическая обезьяна
Люди ежедневно сжигают гораздо больше энергии, а также запасают гораздо больше энергии в виде жира, чем другие приматы. Наши общие энергозатраты (TEE) включают в себя нашу базальную скорость метаболизма (BMR) плюс другие виды деятельности, включая физические упражнения.
Понцер говорит, что разница в количестве жира в организме не менее шокирующая: Мужчины набирают в два раза больше жира, чем другие приматы-самцы, а женщины — в три раза больше, чем другие приматы-самки. Он считает, что большое количество жира в нашем теле развилось вместе с более быстрым обменом веществ: Жир сжигает меньше энергии, чем тощая ткань, и обеспечивает запас топлива. «Наши метаболические двигатели были созданы миллионами лет эволюции не для того, чтобы гарантировать готовое к пляжу тело в бикини, — пишет Понцер в своей книге.
Однако наша способность превращать запасы пищи и жира в энергию быстрее, чем у других приматов, имеет важные преимущества: она дает нам больше энергии каждый день, чтобы мы могли питать наш большой мозг, а также кормить и защищать потомство с долгим, энергетически затратным детством».
Понцер считает, что характерные человеческие черты в поведении и анатомии помогают нам поддерживать ускоренный метаболизм. Например, люди обычно делят больше пищи с другими взрослыми особями, чем другие приматы. Совместное питание более эффективно для группы и могло бы обеспечить ранним людям энергетическую безопасность. А наш большой мозг создал петлю положительной обратной связи. Они требовали больше энергии, но также давали ранним людям смекалку, чтобы изобретать лучшие инструменты, управлять огнем, готовить пищу и приспосабливаться другими способами, чтобы получать или экономить больше энергии.
Понцер получил урок о ценности обмена пищей в 2010 году, когда он отправился в Танзанию для изучения энергетических бюджетов охотников-собирателей хадза. Одним из первых, что он заметил, было то, как часто хадза использовали слово «za», что означает «давать». Это волшебное слово, которому все хадза учатся в детстве, чтобы заставить кого-то поделиться с ними ягодами, медом или другой пищей. Такой обмен помогает всем хадза быть активными: Охотясь и добывая пищу, женщины хадза ежедневно проходят около 8 километров, мужчины — 14 километров — больше, чем обычный американец проходит за неделю.
Чтобы узнать об их энергозатратах, Понцер спросил хадза, согласны ли они выпить его безвкусный водный коктейль и сдать анализ мочи. Они согласились. Он почти не смог получить финансирование для исследования, потому что другие исследователи полагали, что ответ очевиден. «Все знали, что у хадза исключительно высокие энергозатраты, потому что они были очень физически активны», — вспоминает он. «Но это было не так».
У отдельных хадза были дни большей и меньшей активности, и некоторые сжигали на 10% больше или меньше калорий, чем в среднем. Но с поправкой на обезжиренную массу тела мужчины и женщины хадза сжигали в среднем такое же количество энергии в день, как мужчины и женщины в США, а также в Европе, России и Японии, сообщил он в 2012 году в журнале PLOS ONE. «Это удивительно, если учесть различия в физической активности», — говорит Шуллер.
Одним из тех, кто не был удивлен, была эпидемиолог Эми Люк из Университета Лойолы в Чикаго. Она уже получала аналогичный результат при исследовании воды с двойной маркировкой, показав, что женщины-фермеры в западной Африке ежедневно расходуют такое же количество энергии с учетом массы тела без жира, как и женщины в Чикаго — около 2400 килокалорий для 75-килограммовой женщины. Люк говорит, что её работа была малоизвестна — до тех пор, пока статья Понцера не произвела фурор. С тех пор они сотрудничают.
Понцер «очень хорошо умеет продавать большие идеи», будь то в социальных сетях или в статьях для широкой аудитории, говорит его бывший постдок Сэм Урлахер из Университета Бэйлора. «Это выводит некоторых из себя, но он не боится, что ему докажут, что он ошибается».
Исследования других групп охотников-собирателей и фуражиров подтвердили, что хадза не являются аномалией. Понцер считает, что организм охотников-собирателей приспосабливается к большей активности, тратя меньше калорий на другие невидимые задачи, такие как воспаление и реакция на стресс. «Вместо того, чтобы увеличить количество сжигаемых в день калорий, физическая активность хадза меняла способ, которым они тратили свои калории», — говорит он.
Он подкрепил это новым анализом данных, полученных в ходе исследования другой группы малоподвижных женщин, которых готовили к полумарафону: После нескольких недель тренировок они едва ли сжигали больше энергии в день, когда пробегали 40 километров в неделю, чем до того, как начали тренироваться. В другом исследовании марафонцев, которые бегали по 42,6 километра ежедневно 6 дней в неделю в течение 140 дней в рамках программы Race Across the USA, Понцер и его коллеги обнаружили, что бегуны сжигали постепенно меньше энергии с течением времени — 4900 калорий в день в конце забега по сравнению с 6200 калориями в начале.
По словам Понцера, по мере того, как спортсмены бегали все больше и больше в течение нескольких недель или месяцев, их метаболические двигатели сокращали количество энергии в других местах, чтобы освободить место для дополнительных затрат на физические упражнения. И наоборот, если вы сидите на диване, вы можете тратить почти столько же калорий ежедневно, оставляя больше энергии организму для внутренних процессов, таких как реакция на стресс.
Это «самая спорная и интересная идея Понцера», — говорит гарвардский палеоантрополог Дэниел Либерман, который был консультантом Понцера по диссертации. «Сегодня утром я пробежал около 5 миль; на бег я потратил около 500 калорий. В очень упрощенной модели это означало бы, что мой TEE был бы на 500 калорий выше».… По словам Германа, у людей, которые более активны, TEE не настолько выше, как можно было бы предсказать… но мы до сих пор не знаем, почему и как это происходит«.
Выводы Понцера имеют обескураживающее значение для людей, желающих похудеть. «Вы не сможете избавиться от ожирения с помощью физических упражнений», — говорит эволюционный физиолог Джон Спикман из Китайской академии наук. «Это одна из тех идей-зомби, которая отказывается умирать». Уже сейчас исследования влияют на диетические рекомендации по питанию и снижению веса.
Но Тифо предупреждает, что это послание может принести больше вреда, чем пользы. По его словам, люди, которые занимаются спортом, реже набирают вес, а те, кто занимается спортом во время диеты, лучше удерживают вес. Физические упражнения также могут повлиять на место отложения жира в организме и на риск развития диабета и сердечных заболеваний, говорит он.
Понцер согласен с тем, что физические упражнения необходимы для хорошего здоровья: Хадза, которые ведут активный образ жизни и сохраняют хорошую физическую форму до 70 и 80 лет, не болеют диабетом и сердечными заболеваниями. И, добавляет он, «если физические упражнения подавляют реакцию стресса, то это хорошая компенсация». Но он говорит, что нечестно вводить в заблуждение диетологов: «Упражнения не дают вам заболеть, но диета — ваш лучший инструмент для контроля веса».
Тем временем Понцер закладывал основу для других сюрпризов. В прошлом году он и Спикман совместно возглавили работу по сбору нового замечательного ресурса — базы данных Международного агентства по атомной энергии о воде с двойной маркировкой. Она включает в себя существующие исследования дважды маркированной воды почти 6800 человек в возрасте от 8 дней до 95 лет.
Они использовали эту базу данных для проведения первого комплексного исследования энергопотребления человека в течение жизни. И снова на карту было поставлено популярное предположение: подростки и беременные женщины имеют более высокий метаболизм. Но Понцер обнаружил, что именно малыши являются наиболее активными потребителями энергии.
У новорожденных скорость метаболизма такая же, как и у их беременных матерей, и ничем не отличается от других женщин с поправкой на размер тела. Но в возрасте от 9 до 15 месяцев младенцы тратят на 50% больше энергии за день, чем взрослые, с поправкой на размер тела и количество жира (см. график выше). Это, вероятно, служит топливом для их растущего мозга и, возможно, развивающейся иммунной системы. Результаты исследования, опубликованные в журнале Science, помогают объяснить, почему недоедающие младенцы могут отставать в росте.
У детей метаболизм остается высоким, с поправкой на размер тела, примерно до 5 лет, затем он начинает медленно снижаться до 20 лет и стабилизируется во взрослом возрасте. Люди начинают потреблять меньше энергии в возрасте 60 лет, а к 90 годам пожилые люди расходуют на 26% меньше энергии, чем взрослые среднего возраста.
Сейчас Понцер изучает загадку, которая возникла в результате его исследований спортсменов: Похоже, существует жесткий предел того, сколько калорий в день может сжигать наш организм, который определяется тем, насколько быстро мы можем переварить пищу и превратить её в энергию. По его расчетам, потолок для 85-килограммового мужчины составляет около 4650 калорий в день.
Спикман считает этот предел слишком низким, отмечая, что велосипедисты на Тур де Франс в 1980-х и 90-х годах превышали его. Но они вводили жир и глюкозу непосредственно в кровь, что, по мнению Понцера, могло помочь им обойти физиологические ограничения на преобразование пищи в энергию. Как показало исследование марафонцев, элитные спортсмены могут достигать предельных показателей в течение нескольких месяцев, но не могут поддерживать их бесконечно, говорит Понцер.
Чтобы понять, как организм может подпитывать интенсивные физические нагрузки или бороться с болезнями, не нарушая энергетических ограничений, Понцер и его студенты изучают, как организм ограничивает другие виды деятельности. «Я думаю, мы обнаружим, что эти изменения снижают воспаление, уменьшают нашу стрессовую реакцию. Мы делаем это, чтобы уравновесить энергию».
Именно поэтому он хотел узнать, сколько энергии сожгла Кристина, пока он испытывал её в лаборатории. После теста Кристина сказала, что «определенно испытывала стресс». По ходу дела её пульс увеличился с 75-80 ударов в минуту до 115. А расход энергии вырос с 1,2 килокалорий в минуту до 1,7 килокалорий в минуту.
«Она сжигала на 40% больше энергии в минуту во время теста по математике и на 30% во время собеседования», — говорит Понцер. «Подумайте о любом другом процессе, который повышает вашу энергию примерно на 40%».
Он надеется, что такие данные, как у нее, помогут выявить скрытую цену умственного стресса. Измерение того, как стресс и иммунные реакции увеличивают расход энергии, может помочь выявить, как эти невидимые действия суммируются и обмениваются в наших ежедневных энергетических бюджетах. Понцер знает, что ему предстоит большая работа. «Пока мы не сможем показать, как дергаются рычаги, чтобы внести эти коррективы в энергопотребление, люди всегда будут настроены скептически. Мы должны провести эксперименты следующего поколения».
Ну а пока вы сжигаете калории работая над сложной задачей, мы продолжаем делать Telegram-бота Get Me It для анонимного и быстрого налаживания контакта между вами и работой мечты. Настраивайте фильтры в боте и получайте самые релевантные предложения под ваши запросы.
Следуйте за белым кроликом, кликнув на картинку ниже😉
