赫尔曼·庞策尔烧伤

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被误解的代谢科学

Burn by Herman Pontzer

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烧伤书的情节是什么?

纪录片《消费》(2021 年)揭示了新陈代谢背后的物理学——我们的身体燃烧能量的过程。它充满了令人难忘的想法和信息,并依靠最新的代谢研究以及人体的进化史来创造引人入胜的叙述。

谁在读《燃烧》这本书?

  • 健身房的成员不知道为什么他们的体重没有减轻。
  • 不确定要坚持哪种饮食计划的潜在节食者
  • 对自然历史感兴趣的自然主义者

Herman Pontzer 是谁,他的背景是什么?

杜克大学全球健康研究所是杜克大学进化人类学副教授、杜克大学医学院全球健康副研究教授 Herman Pontzer 的所在地。

对我来说到底是什么?了解人体最基本的功能。

人体由大约 37 万亿个细胞组成。每一个都像一个迷你工厂,生产让我们活着的所有东西,从酶到神经递质再到激素,以及介于两者之间的一切。我们摄入的卡路里为我们提供执行任务所需的能量。每天需要八升冷水才能使我们的身体沸腾,而我们的细胞会消耗足够的能量来做到这一点。因此,能源是生命的货币。然而,新陈代谢——调节能量使用的机制——经常被误解。是时候有所作为了。这些笔记涵盖的主题包括坦桑尼亚狩猎采集者可以教给我们的有关人类进化的知识、分享食物如何将人类与猴子区分开来,以及为什么除了糖果什么都不能吃但还能减肥。

很简单,你就是你所消费的。

1859 年,法国科学家路易斯巴斯德创造了一种革命性的肉汤,改变了历史进程。是什么让它如此特别?首先,巴斯德发现将汤煮沸会破坏液体中可能存在的任何细菌。其次,他发现将其存放在密闭的烧瓶中可以防止虫子和污垢进入烧瓶。这种两步法可以防止汤变质,这在其发明之时是一个开创性的发现。巴氏杀菌是用来描述这个过程的术语,它以巴斯德本人的名字命名。不过,该项目不仅在实用性方面取得了巨大成功。它也是自亚里士多德以来一直存在的理论——自发起源的想法——棺材上的最后一颗钉子。

自发生成理论试图解释诸如蛆在腐烂的肉上出现在意想不到的时间等事件。我们不知道这些蛆是从哪里来的。在强显微镜出现之前,很难对这个问题给出满意的答复。从古代到中世纪,再到现代,每个人都说它们是凭空出现的——也就是说,它们是从肉体等无生命的东西中自发出现的。一个多世纪的研究揭示了新陈代谢的现实,它比我们开始时想象的要奇怪得多。这封信中最重要的一课是,你就是你所吃的——非常字面意思。

今天,我们知道蛆不会像以前认为的那样从惰性材料中发育而来。另一方面,仔细观察一只会产蛆的苍蝇。它究竟有什么作用?这个微型机器以其最基本的形式负责将腐烂的蛋白质转化为幼蝇 换句话说,它利用水、空气和它吃的食物来构建自己和后代的身体主动。人类和苍蝇一样,是自发产生的机器,可以自己产生想法。每一盎司的骨头和一品脱的血液,以及每一根指甲、睫毛和每一缕头发,都完全由我们在饮食中消耗的物质组成。已经发现无生命的物质可以产生生命。是什么导致了这种奇怪的变化?解决方案是新陈代谢,这是我们身体燃烧能量的过程。让我们一步一步来。

人体由数百种彼此相互作用的不同分子组成。酶、激素、神经递质、DNA 和各种其他物质都属于这一类。然而,只有一小部分通过我们的膳食以可用的形式被吸收到体内。在充分利用它们之前,有必要对其进行转换。这是细胞工作的结果。细胞有责任通过它们的膜吸收流入循环的有用化学物质,并将这些分子转化为其他物质。以卵巢细胞为例。在这个过程中,他们将胆固醇分子吸入体内,将其转化,然后将最终结果以雌激素的形式推回循环中,雌激素是一种对全身都有影响的激素。

正是这些细胞的工作使我们得以生存。然而,它需要大量的能量。甲基化,也称为新陈代谢,是人体维持生命的熔炉,因此“燃烧”我们的食物并释放其能量。

新陈代谢率是衡量身体能量消耗的指标。

细胞是活跃的,需要能量才能正常运作。但是,更重要的是,我们如何定义这些术语?真的可以互换使用这两个想法。工作是物理学领域的一个技术词。此外,由于劳动和能源都以相同的单位衡量,我们可以互换使用它们。换句话说,劳动就是能量。例如,当你抛棒球时,你正在努力,这就是球加速的原因。当球离开您的手时,您投掷球时使用的能量会转化为动能,即球在空气中传播时消耗的能量。热量是我们每天都会遇到的另一种能量。例如,当您在微波炉中重新加热牛奶时,温度会升高并显示牛奶吸收了多少电磁能。

消耗的能量总是等于完成的劳动量和产生的热量。因为这是物理学的基本规则,所以从逻辑上讲,它也控制着人体。这句话的要点是新陈代谢是身体能量消耗的衡量标准。当涉及具有执行劳动或产生热量的能力的物体时,可能会储存能量。一个很好的例子是储存在油箱中的汽油。拉伸的橡皮筋也是如此,它包含一种称为“应变能”的势能。与此同时,一个巨大的花盆在窗台上处于危险的平衡状态,并且有可能随时倒塌,它拥有动能。

在分子水平上,将分子保持在一起的键充当能量存储装置。这种能量可能会转化为其他东西。然而,它已经无可挽回地消失了。在释放拉伸的橡皮筋期间,分子连接断裂,将存储在橡皮筋中的能量释放到周围环境中。能量永远不会丢失,只能转化,这是自然规律。

爆炸是这条规则在行动中的绝佳例证。按照指示服用硝酸甘油。这种挥发性液体的化学连接在引爆时被破坏,导致以氮气、一氧化碳、氧气和水的形式释放能量。具体是多少?一磅硝酸甘油所含的能量如果转化为热量,就有可能彻底摧毁一个人——这正是强力炸弹所能做到的。然而,如果转化为动能,它就有能力将一个 165 磅重的成年人发射到大气层超过两英里半。您可能想知道这与新陈代谢有何关系。

毕竟,如果能量和功是可以互换的,那么我们的细胞所做的功和它们消耗的能量是同一事物的两种不同度量。术语“代谢”是指将食物转化为能量的过程。无论我们选择什么词,我们都在寻找身体最基本的动作。当我们在等式中加入速度时,我们就可以计算出身体的代谢率,即身体每分钟消耗的能量来为其细胞提供动力。

在跟踪能量消耗时,这一切都归结为对原子进行计数。

您使用什么方法来计算您的能量消耗?原则上,这很简单:您只需遵循 CO2。无论使用什么燃料,无论是煤还是碳水化合物,燃料燃烧都会产生副产品:二氧化碳。当身体消耗能量时,二氧化碳被释放到大气中。当你吸气时,你主要是呼出这种物质。一旦您弄清楚身体产生了多少二氧化碳,您就可以准确评估身体使用了多少能量。要监测二氧化碳水平,一种方法是将人放在代谢室中,这是一个密封的房间,配备测量氧气和二氧化碳水平的传感器。尽管可以在受控环境中获得可靠的结果,但我们真正想知道的是个人在日常活动中花费了多少能量。这封信中最重要的信息如下: 跟踪能源消耗就是计算原子数。

1950 年代,明尼苏达大学生理学家、生物学助理教授内森·利夫森 (Nathan Lifson) 开发了一种不起眼的技术,用于监测个人日常生活中的二氧化碳产生量。 Lifson 的发现始于观察人体主要由水(65%)组成,本质上是一个巨大的液体池。有信息流入和流出。氢原子和氧原子通过食物和饮料进入人体,然后通过尿液、粪便、汗水和我们呼吸时身体呼出的蒸气排出。氢原子通常以水的形式离开身体,而氧原子有第二种离开的方法。在代谢碳基化合物的过程中,会产生 CO2。在这个新形成的二氧化碳分子中,氧原子来自人体自身的水分。该原子随后在我们呼出的气中以 CO2 的形式排放到大气中。

Lifson 发现,通过监测氢原子和氧原子离开身体的速度,他能够计算出二氧化碳的产生速度,进而让他能够确定消耗了多少能量。为了追踪这些原子,需要做一些复杂的化学反应,但基本概念是“标记”它们。具体来说,您将氢和氧的同位素(氢和氧的较重版本)注入体内来做到这一点。一旦同位素离开身体,您可以通过检查不同时间采集的尿液样本来计算它们。氘是氢的同位素,如果星期一受试者体内 10% 的氢是氘,而星期三只有 5% 是氘,很明显,身体的一半水已经被抽空并被正常的 H2O 取代了。与氧的同位素氧 18 相同。

计算氢原子和氧原子从大气中流失的速率,您就可以根据这些数据确定二氧化碳的生成速率。反过来,这可以作为指示身体消耗了多少能量——或者更具体地说,有多少卡路里——的指标。

在比喻意义上,我们与我们的祖先没有什么不同。

是什么让西方人如此肥胖?根据一个流行的想法,它是这样的。当最早的智人生活在我们现在称为非洲的栖息地时,人体,尤其是其代谢系统,已经发展到能够应对这种环境。食物是有限的,这些狩猎采集者不得不花费大量的精力来寻找可用的食物。这个想法认为,工业化为我们提供了汽车、办公室工作和超市,是我们目前肥胖流行的罪魁祸首。我们不像我们的祖先和祖先那么活跃,这意味着我们没有以预期的方式充分利用我们的身体。我们有代谢问题也就不足为奇了!尽管这是一个令人信服的假设,但新的数据表明它是不正确的。这封信中最重要的教训是,我们在很多方面都与我们的祖先没有什么不同。

如果您认为西方世界的肥胖流行是由于我们每天燃烧的卡路里比我们古代祖先少,您如何证实或反驳这种说法?虽然很容易确定典型的美国人或意大利人每天消耗多少能量,但我们无法及时回到过去检查早期人的代谢系统。但是,我们可以做下一件最好的事情,那就是查看与我们生活方式相同的当代人的能源消耗情况。

以坦桑尼亚北部的哈扎人为例,他们是世界上少数幸存的狩猎采集群体之一。他们的生活方式对身体来说是艰苦的。哈扎妇女大部分时间都在从岩石土壤中挖掘块茎并从森林中采集野果。而另一方面,男人则要穿越约 12 公里穿过阳光炙烤的热带稀树草原,寻找动物并爬上 40 英尺高的树来获取野生蜂蜜。晚上,哈扎人聚集在篝火旁,享受他们的工作成果并讲述他们的生活故事。他们消耗什么样的能量?为了找到答案,作者和他的同事将哈扎尿液样本提交给德克萨斯州的一家专门机构进行分析。人们普遍认为,为了生存,哈扎男人和女人应该比久坐不动的西方同行付出更多的精力。然而,结果并没有达到预期。

哈扎男性每天消耗和消耗大约 2,600 卡路里,而哈扎女性每天消耗和消耗大约 1,900 卡路里。这与欧洲和美国男性和女性平均消耗的卡路里数完全相同。与在纽约或那不勒斯上班的人相比,哈扎狩猎采集者的生活方式有很大差异。然而,就能源消耗而言,它们完全不存在。

人类的新陈代谢是受限的或固定的。

哈扎的发现是否有可能是一个奇怪的异常现象?一点都不。考虑一下芝加哥洛约拉大学研究员艾米卢克 2008 年进行的一项研究的结果。使用 Lifson 技术将居住在尼日利亚农村的妇女与居住在芝加哥的非洲裔美国妇女进行比较,卢克使用该技术确定她们的能量消耗和体力活动 尽管事实上她们过着完全不同的生活,但发现两组花费相同的金额每天的能量。然后是另一位值得一提的洛约拉学者 Lara Dugas。她比较了来自世界各地进行的 98 项不同研究的数据。她的结论是什么?在工业化世界中久坐不动的人消耗的能量与在发展中国家过着对体力要求更高的人消耗的能量大致相同。事实证明,在能源使用方面,无论您走到哪里,人们都非常相似。

本笔记中最重要的一课是人类的代谢率是有限的或固定的。哈扎人如何在户外采集、狩猎和爬树而不消耗比久坐不动的西方城市人更多的卡路里对我们来说仍然是个谜?最有可能的是,这种情况涉及许多变量。解释的一个要素是,非常活跃的人,例如哈扎人,会逐渐改变他们的行为以节省能量。这可能包括坐着而不是站着,或者睡更长时间。当我们参加大量体育活动时,我们的身体也会以不同的方式“预算”他们的能量消耗。

通常,我们消耗的大部分卡路里都用于为细胞活动提供燃料并进行细胞“管家”,其中包括修复日常活动对我们身体造成的损害。似乎通过减少花在这些活动上的时间,身体能够为其他活动腾出更多的能量。有证据表明,运动可能会减少免疫系统的炎症反应以及雌激素等激素的合成。

此外,我们知道运动量越大,能量消耗就会达到一个平台期。以作者和 Amy Luke 合作进行的研究为例。他们对 300 人进行了 Lifson 测试,并使用健身追踪器测量他们在 7 天内的活动水平。结果,发生了什么?每个人,即使是那些日常生活最活跃的人,每天燃烧的卡路里与那些适度活跃的人相同。考虑到所有这些数据,我们可能会得出一个有趣的结论:我们这个物种已经开发出控制日常能源消耗的方法。这对公众的健康有着深远的影响。事实上,我们的日常能量消耗在整个人类历史上一直保持不变,这意味着不能将肥胖归咎于我们久坐不动的生活。换句话说,导致我们肥胖的是暴食而不是懒惰。

我们的进化历史有助于解释为什么人类一开始就很容易发胖。

根据查尔斯·达尔文的说法,自然历史是由争夺环境中的资源而形成的。物种的进化发生在稀缺的情况下,因为从来没有足够的食物供所有人使用。正是因为这个原因,权衡才如此重要。你不能拥有一切,因为你没有足够的能量。在进化特征的情况下,这种限制是显而易见的。也许进化给了一个物种锋利的牙齿,但与此同时,它为这个物种提供了小巧精致的手臂。这就是您获得霸王龙骨架的方式。正如达尔文在《物种起源》中所说的那样,“大自然被迫在硬币的另一面节约,以便将其用于另一面。”然而,有一个物种不遵守这一原则:我们自己的。在本笔记中,主要观点是我们的进化历史有助于解释为什么人类如此容易发胖

在能源使用方面,人类过于放纵。以我们和我们最近的表亲黑猩猩之间的差异为例。当你考虑到身体大小和活动水平等因素时,人类每天比黑猩猩和倭黑猩猩多摄入大约 400 卡路里的热量。我们将如何处理所有这些额外的卡路里?毕竟,仅仅保持身体健康是一项代价高昂的努力。以大脑为例。它消耗了如此多的能量,以至于我们每四次呼吸就致力于为这个三磅重的器官提供营养。与猿相比,我们也更频繁地繁殖,生育更大的孩子,寿命更长,旅行更多。是否需要进行权衡?当然,人类的消化系统比大多数类人猿的消化系统更小、更便宜,但仅此而已。

在生物学上,我们的身体已经进化到可以在细胞水平上燃烧更多的能量。这简直是​​一场代谢革命,但也并非没有缺点。随着我们祖先的新陈代谢变得更快,他们挨饿的可能性也增加了。毕竟,您运行所需的能量越多,食物供应枯竭时的情况就越糟。时至今日,这个问题的进化答案一直令我们着迷。

让像人体这样耗能大的机器在稀缺的环境中提供燃料,是确保其继续运行的最直接方法。脂肪细胞是身体的主要燃料储存系统。这也是人类与猿的区别。如果你把一只黑猩猩养在有大量食物的动物园里,它会长得比它的野生表亲大,但它会保持它瘦小的外表。额外的卡路里会导致更大的肌肉和器官的发育,而不是脂肪的积累。在类似的情况下,人类确实会增加体重——这并不奇怪!为了应对食物短缺,人类已经进化,但我们现在生活在一个热量充足的世界,我们必须适应。这才是我们的身体与社会环境之间真正的错位。

分享行为推动了新陈代谢革命。

人类和猿类具有许多特征,包括它们都是善于交际的生物。当然,还有许多其他特征使我们与众不同。像新陈代谢这样的事情浮现在脑海中。这种分歧的根本原因是什么?为什么人类的代谢系统比类人猿的代谢系统好?!!简单的解释是人们分享食物——而猿类不分享他们的食物。更详细的回复如下。尽管类人猿能够建立复杂甚至终生的社会联系,但在食物消费方面,它们却是顽固的个人主义者。

这会影响人们完成卡路里计数任务的方式。因为他们的存在依赖于它,而没有其他人愿意帮助他们,他们利用了这个唾手可得的果实——无论是字面上还是比喻上。如果您不愿意分享,与他人合作狩猎大型动物或收集足够一周的水果是没有意义的。这最终成为了猿类的绊脚石。根据本说明的主题,共享资源推动了代谢革命。我们的祖先和祖先是群居的觅食者。吃饱后,他们并没有停止寻找卡路里,而是带回食物给其他人吃。

共同责任提供了一个安全网。不管你从别人那里得到多少食物,如果你空手回到营地,你仍然可以养活自己和家人。有了这个安全网,人类的行为就会改变。它允许您承担有计划的风险,例如派人出去猎杀动物,但知道它们十有八九会失败。另一方面,女士们在过去几个小时里一直忙于收集块茎和浆果,所以每个人都有足够的食物。当这些家伙成功将角马带回家时,就会举行庆祝活动。

根据目前的理论,大约在 250 万年前,生活在非洲东部的猿脑人类形成了这种社会结构。我们对共享的起源知之甚少,但在最近的过去有大量证据表明它很普遍。例如,带有切割标记的斑马骨就是一个很好的例证。击倒像斑马这样又大又快的动物需要一个团队,只有当每个人都参与到奖励中时,合作才有意义。

社会觅食改变了人类进化史的进程。共享意味着有更多的能量可用于重要的生活活动。这是一个生存和分娩增加的时期,以及用于试验原始技术的时间增加的时期。共享资源的人的表现优于不共享资源的人。经过很长一段时间,我们所知道的人体开始形成。新陈代谢的速度增加,导致了设备的发展,这些设备最终将支持使我们成为一个物种的高耗能器官——大脑。

任何食物都可以,只要您燃烧的卡路里多于您为减肥所消耗的卡路里。

让我们回顾一下到目前为止我们学到的东西。根据代谢研究,当代都市人驾驶汽车和坐在舒适的办公椅上消耗的卡路里与狩猎采集者一样多。换句话说,在整个旧石器时代的演化过程中,每天的能量消耗很可能是恒定的。如前所述,我们知道我们每天的能量消耗是有限的,这意味着增加我们的活动量对我们消耗的卡路里数量的影响最小。根据这些发现,我们有哪些选择?他们认为,现在是重新考虑我们对抗儿童肥胖的方法的时候了。在大多数情况下,锻炼对我们的体重几乎没有影响,但管理我们的膳食有重大影响。只要您燃烧的卡路里大于摄入的卡路里,您可以吃任何东西并仍然减轻体重,这是这封信的重点。

定期锻炼提供了一系列有据可查的优势,从更好的心脏健康和免疫系统强度到改善大脑功能和延长预期寿命。它还提供抑制慢性炎症的额外好处,慢性炎症与心血管疾病和自身免疫疾病有关。另一方面,在控制体重方面,锻炼并不是一个非常有用的策略。俗话说,不良饮食是你无法逃避的。这将我们引向饮食的话题。考虑到围绕这个主题的大量炒作,让我们直奔主题:如果你想减肥,你每天需要燃烧的卡路里比你吃的要多。这只是物理学的基本规则。

好消息是您现在可以完全自由地选择最适合您需要的饮食。以迈克尔·丹辛格 (Michael Dansinger) 2005 年的研究结果为例,他现在是马萨诸塞州波士顿塔夫茨医疗中心糖尿病逆转项目的负责人。在 12 个月的时间里,他的团队将来自波士顿的 160 人随机分配到四种流行饮食中的一种。这些是基于各种饮食“哲学”。例如,阿特金斯是低碳水化合物饮食,而奥尼什是低脂肪饮食。另外两个程序,Weight Watchers 和 Zone,使用多种方法来实现他们的目标。结果,发生了什么?坚持节食的参与者无论选择哪一种都会减轻体重;那些没有减掉一磅的人。

结论是,只要符合物理定律,所有饮食都是有效的。堪萨斯州立大学人类营养学教授马克·豪布(Mark Haub)有一些智慧之言。 Haub 受够了围绕着这么多饮食的伪科学喧嚣,所以他创造了自己的饮食,只包含垃圾食品。 10 周以来,除了水,他只吃糖果、麦片、薯片和饼干。需要注意的最重要的一点是,他一天摄入的热量从未超过 1,800 卡路里。经过两个半月的努力,他已经减掉了 27 磅。现在,即使是豪布,也没有人提倡这种饮食方式,因为它显然对人的健康有害。但是,下次您遇到宣传最新奇迹饮食的人时,值得考虑他的论点。但是,总的来说,这个概念保持不变:如果你能燃烧卡路里,你就能减掉体重。

小说《燃烧》的结局。

这些笔记中最重要的教训是,人类的生存依赖于构成我们身体的数十亿个细胞。这些细胞执行的工作需要能量,包括产生酶、神经递质和 DNA。我们从卡路里中获取能量,而新陈代谢是衡量我们“燃烧”多少能量的指标。可以肯定地说,自旧石器时代以来,我们的新陈代谢基本保持不变。无论我们是久坐不动的都市人还是精力充沛的狩猎采集者,我们都消耗了大致相同的卡路里,因为我们都在做同样的事情。结论是什么?如果体力活动不会导致卡路里消耗增加,那么肥胖一定是贪食而不是懒惰的结果。

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由 BrookPad 团队根据 Herman Pontzer 的 Burn 编写



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