Работа всей жизни Германа Понцера как биологического антрополога — подсчет калорий. Это не для того, чтобы лично похудеть — при возрасте 44 года, росте 1,85 метра и весе около 75 килограммов, при страсти к бегу и скалолазанию он «тощий парень», по словам онлайн-обозревателя его книги «Сжечь: новое исследование раскрывает тайну того, как мы действительно сжигаем калории, худеем и остаемся здоровыми», которая вышла в 2021 году.
Понцер с удовольствием рассказывает о том, как снизить вес, на «Шоу доктора Оза» и Национальном Общественном Радио, но его настоящая миссия — понять, как человеку, единственному среди человекообразных обезьян, удается обладать всем с энергетической точки зрения: у нас большой мозг, долгое детство и большая продолжительность жизни. Энергетический бюджет, необходимый для поддержания этих характеристик, включает в себя неразгаданные пока еще компромиссы между энергией, затрачиваемой на физические упражнения, на размножение, на стресс, болезни и жизненно важные функции.
Способности Понцера как популяризатора смущают его коллег, верующих в ползу спорта ля похудения. В его утверждении о том, что физические упражнения не помогут вам сбросить вес, «нет нюансов».
Но другие считают, что помимо развенчания мифов о расходе энергии человеком, работа Понцера предлагает новый взгляд на физиологию и эволюцию человека. Как он пишет в своей книге: «В экономике жизни валютой являются калории».
«Его работа — это революция, — считает палеоантрополог Лесли Айелло, бывший президент Фонда Веннера-Грена, который финансировал работу Понцера. — Теперь у нас есть данные, которые дали нам совершенно новую основу для того, как можно рассматривать адаптацию человека к энергетическим ограничениям».
В начале 2000-х годов ученые мало что знали об общих энергетических затратах человека (ОЭЗ), количестве килокалорий («калорий» на этикетках продуктов питания), которое 37 триллионов клеток организма сжигают за 24 часа. Исследователи измеряли скорость, с которой наш организм сжигает энергию в состоянии покоя — базальную скорость метаболизма (БСМ), которая включает энергию, используемую для дыхания, кровообращения и других жизненно важных функций. Они думали, что БСМ примерно одинакова у крупных млекопитающих с поправкой на размер тела. Поэтому, хотя БСМ отражает только 50%-70% общего потребления энергии, исследователи посчитали, что в килограммах человек сжигает энергию примерно с той же скоростью, что и другие приматы. Но у людей есть дополнительные затраты энергии: наш крупный мозг, на который приходится 20% дневного потребления энергии.
В Гарварде Понцер захотел проверить эти идеи. Но он понял, что для этого недостаточно данных: никто не знал, сколько общей энергии расходуют приматы при движении, и тем более не знал, как различия в анатомии или соотношения в размерах органов влияют на расход энергии. «Мы говорили об адаптации опорно-двигательного аппарата у гоминидов, мы говорили об эффективности, мощности и силе, но все это [были] лишь предположения», — говорит Понцер.
Он понял, что должен вернуться к основам, измеряя калории, затраченные людьми и животными при ходьбе и беге на беговых дорожках. Млекопитающие используют кислород для преобразования сахаров из пищи в энергию, при этом побочным продуктом является CO2. Чем больше CO2 выдыхает млекопитающее, тем больше кислорода и калорий оно сожгло.
Для своей докторской диссертации Понцер измерял, сколько CO2 выдыхают собаки и козы во время бега и ходьбы. Он обнаружил, например, что собаки с длинными ногами тратят меньше энергии на бег, чем корги, о чем он сообщил в 2007 году, вскоре после того, как получил свою первую работу в Вашингтонском университете в Сент-Луисе.
Вот пример эксперимента Германа Понцера в его лаборатории в Университете Дьюка. измерение расхода энергии при стрессе у студентки. Студентка по имени Кристина помещает голову под прозрачный пластиковый колпак. Понцер официально приветствует ее и приступает к проверенному временем методу повышения кровяного давления: он дает ей устные задания по математике.
«Начните с числа 1022 и вычитайте 13, пока не дойдете до нуля, — говорит он громко, чтобы его было слышно за гудением кондиционера. — Если вы ошибетесь, то начинаем с самого начала. Готовы?»
— 1009, 997, — считает Кристина.
— Сначала, — командует Понцер.
Кристина, записавшаяся на «стресс-тест», нервно смеется. Она пытается снова и доходит до 889, но Понцер останавливает ее. Это происходит снова и снова. Затем Понцер просит ее вслух умножить 505 на 117. К этому моменту она уже сжимает пальцы ног. Научный сотрудник Зейн Свонсон и студентка выпускного курса Габриэль Батлер следят за частотой сердечного ритма и количеством углекислого газа (CO2), который выдыхает Кристина. Затем Понцер задает ряд вопросов, призванных повысить уровень стресса студентки: какова работа ее мечты, и что именно она собирается делать после окончания университета? Измеряя содержание CO2 в дыхании Кристины, он выясняет, сколько энергии она сожгла, пока справлялась со стрессом от вычислений. измеряет количество выдыхаемого CO2, чтобы получить данные о калориях, сожженных при определенном виде деятельности, как это было в стресс-тесте Кристины.
Понцер обнаружил, что физиологи разработали лучший способ измерения уровня общих энергетических затрат (ОЭЗ) в течение дня: метод двойной маркировки воды, который измеряет уровень ОЭЗ, не требуя от испытуемого дышать в вытяжку в течение всего дня.
Физиолог Дейл Шуллер, ныне работающий в Висконсинском университете в Мэдисоне, адаптировал метод, впервые примененный на мышах, к людям. Люди пьют безвредный коктейль из маркированной воды, в котором разные изотопы водорода и кислорода заменяют обычные формы. Затем исследователи берут образцы мочи несколько раз в течение 1 недели. Маркированный водород проходит через тело с мочой, потом и другими жидкостями, но когда человек сжигает калории, часть маркированного кислорода выдыхается в виде CO2. Таким образом, соотношение маркированного кислорода и водорода в моче служит мерой того, сколько кислорода в среднем использовали клетки человека за день и, следовательно, сколько калорий было сожжено. Этот метод является золотым стандартом для определения общего потребления энергии, но он стоит 600 долларов за тест и был недоступен для большинства эволюционных биологов.
Первый из многих прорывов Понцера в использовании этого метода произошел в 2008 году, когда, получив 20 000 долларов от Фонда Веннера-Грена, он имел возможность собрать образцы мочи в заповеднике и исследовательском центре Great Ape Trust в Айове. Специалист по приматам Роб Шумейкер дал выпить изотопный чай без сахара четырем орангутангам. Понцер беспокоился о сборе мочи у взрослой обезьяны, но Шумейкер заверил его, что орангутанги приучены мочиться в чашку.
Поздней осенью, когда Понцер получил результаты анализа мочи, он им не поверил: орангутаны сжигали одну треть энергии, ожидаемой для млекопитающего такого размера. Повторный анализ дал те же результаты: Ази, взрослый самец весом 113 килограммов, например, сжигал 2050 килокалорий в день, что гораздо меньше, чем 3300, которые обычно сжигает 113-килограммовый человек.
Последующие исследования обезьян в неволе и в заповедниках с двойной маркировкой воды разрушили общепринятое мнение о том, что все млекопитающие имеют одинаковую скорость метаболизма с поправкой на массу тела. Среди человекообразных обезьян люди являются исключением. С поправкой на массу тела мы сжигаем на 20% больше энергии в день, чем шимпанзе и бонобо, на 40% больше, чем гориллы, и на 60% больше, чем орангутаны, о чем сообщили Понцер и его коллеги в журнале Nature в 2016 году.
Люди ежедневно сжигают гораздо больше энергии, а также откладывают намного больше энергии в виде жира, чем другие человекообразные обезьяны. Наш общий расход энергии (ОЭЗ) включает в себя базальный уровень метаболизма (БСМ) плюс другие виды деятельности, в том числе физические упражнения.
Понцер говорит, что разница в количестве жира в организме не менее шокирующая: мужчины набирают в два раза больше жира, чем другие приматы-самцы, а женщины — в три раза больше, чем другие самки приматов.
Однако наша способность преобразовывать запасы пищи и жира в энергию быстрее, чем другие приматы, имеет важные преимущества: она дает нам больше энергии каждый день, чтобы мы могли питать большой мозг, а также кормить и защищать потомство с долгим, энергетически затратным детством.
Понцер отправился в Танзанию, чтобы изучить энергетические ресурсы охотников-собирателей племени хадза. Хадза активны: охотясь и собирая корм, женщины хадза ежедневно проходят около 8 километров; мужчины — 14 километров.
Чтобы узнать об их расходе энергии, Понцер спросил хадза, будут ли они пить его безвкусный водный коктейль и сдавать образцы мочи. Они согласились.
У отдельных людей племени хадза были дни большей и меньшей активности, а некоторые сжигали на 10% больше или меньше калорий, чем в среднем. Но с поправкой на безжировую массу тела мужчины и женщины хадза сжигали в среднем такое же количество энергии в день, как мужчины и женщины в Соединенных Штатах, в Европе, России и Японии, сообщил он в научном журнале PLOS ONE в 2012 году. «Это удивительно, если учесть различия в физической активности», — считает Шуллер.
Одним из тех человек, которые не нашли в этом ничего удивительного, была эпидемиолог Эми Люк из Университета Лойолы в Чикаго. Она уже получила аналогичный результат с помощью воды с двойной маркировкой, показывающих, что женщины-фермеры в Западной Африке ежедневно расходуют такое же количество энергии, с поправкой на нежировую массу тела, что и женщины в Чикаго — около 2400 килокалорий, при весе в 75 кг. Люк рассказывает, что ее работа не получила широкой известности, до того момента, пока работа Понцера не произвела фурор. С тех пор они начали сотрудничество.
Понцер «прекрасно продвигает большие идеи», будь то в социальных сетях или в публикациях для широкой аудитории, — говорит его бывший аспирант Сэм Урлахер из Университета Бэйлора. — Некоторых это раздражает, но он не боится оказаться неправым».
Исследования других народов охотников-собирателей подтвердили, что хадза не являются аномалией. Понцер считает, что организмы людей этих племен приспосабливаются к большей активности, тратя меньше калорий на другие невидимые задачи, такие как реакция на воспаление и стресс. «Вместо того, чтобы увеличивать количество сожженных калорий в день, физическая активность хадза меняла то, как они тратят свои калории», — говорит он.
Он подкрепил это новым анализом данных из исследования другой группы женщин которые тренировались для бега полумарафонов: после нескольких недель тренировок они сжигали совсем почти одинавовое количество энергии и когда бегали по 40 километров в неделю, и когда не тренировались. В другом исследовании марафонцев, которые пробегали 42,6 километра ежедневно 6 дней в неделю в течение 140 дней в рамках программы Race Across the USA, Понцер и его коллеги обнаружили, что бегуны сжигали постепенно меньше энергии с течением времени: 4900 калорий в день в конце забега по сравнению с 6200 калориями в начале.
По словам Понцера, по мере того, как спортсмены бегали все больше и больше в течение нескольких недель или месяцев, их метаболический механизм сокращал свои расходы на другие задачи (прежде всего на задачи для мозна), чтобы освободить место для дополнительных затрат на физические упражнения. И наоборот, если вы «сидите на диване» но решаете сложные проблемы требующие размышления, то можете тратить почти столько же калорий ежедневно, мколько при физических нагрузках.
Выводы Понцера имеют обескураживающее значение для людей, желающих похудеть. «Вы не сможете избавиться от ожирения только с помощью физических упражнений» — говорит эволюционный физиолог Джон Спикман из Китайской академии наук.
Понцер и Спикман вместе возглавили работу по созданию замечательного нового ресурса — базы данных Международного агентства по атомной энергии о воде с двойной маркировкой. Она включает в себя существующие исследования воды с двойной маркировкой среди почти 6800 человек в возрасте от 8 дней до 95 лет.
Они использовали базу данных для проведения первого комплексного исследования использования энергии человеком на протяжении всей жизни. Опять же, изучению подверглось популярное предположение: у подростков и беременных женщин более высокий метаболизм. Но Понцер обнаружил, что именно малыши — настоящий «мотор». У новорожденных скорость метаболизма такая же, как и у их беременных матерей, и ничем не отличается от других женщин с поправкой на размер тела. Но в возрасте от 9 до 15 месяцев младенцы тратят на 50% больше энергии за день, чем взрослые, с поправкой на размер тела и количество жира. Это, вероятно, служит топливом для их растущего мозга и, возможно, развивающейся иммунной системы. Результаты исследования, опубликованные в журнале Science, помогают объяснить, почему недоедающие младенцы могут отставать в развитии.
Метаболизм детей остается высоким примерно до 5 лет, затем он начинает медленно снижаться к 20 годам и стабилизируется во взрослом возрасте. Люди начинают потреблять меньше энергии в возрасте 60 лет, а к 90 годам пожилые люди потребляют на 26% меньше энергии, чем люди среднего возраста.
Сейчас Понцер изучает загадку, которая возникла в результате его исследований спортсменов. Похоже, существует строгий предел того, сколько калорий в день может сжигать наш организм, который определяется тем, насколько быстро мы можем переварить пищу и превратить ее в энергию. По его расчетам, потолок для 85-килограммового мужчины составляет около 4650 калорий в день.
Чтобы понять, как организм может переносить интенсивные физические нагрузки или бороться с болезнями, не нарушая энергетических ограничений, Понцер и его студенты изучают, как организм ограничивает другие виды деятельности. «Я думаю, что мы обнаружим, что эти корректировки уменьшают воспаление, снижают нашу реакцию на стресс. Мы делаем это, чтобы свести наш энергетический баланс».
Именно поэтому он хотел узнать, сколько энергии израсходовала Кристина во время лабораторного теста. После исследования, студентка сказала, что определенно «испытывала стресс». По мере того как проходил тест, ее пульс участился с 75-80 ударов в минуту до 115. И потребление энергии увеличилось с 1,2 килокалории в минуту до целых 1,7 килокалории в минуту.
«Она потратила на 40% больше энергии во время математического теста и почти на 30% больше во время вопросов, — говорит Понцер. — Подумайте, какой еще процесс может повысить расход энергии примерно на 40%».
Он надеется, что такие данные помогут выявить скрытую цену умственного стресса.