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

Герман Понцер (2020)

Мы сжигаем 2000—3000 калорий в день. И даже если будем много тренироваться и мало есть, в среднем эта цифра не изменится. Не так-то просто заставить организм усваивать больше или, что куда важнее для полных людей, — меньше питательных веществ. Когда-то это была блестящая эволюционная стратегия выживания во времена голода. Но сегодня она обрекает нас на ожирение. Как же повлиять на гомеостаз — то есть стабильность нашего тела, и научить его в прямом смысле «есть меньше»? В формате PDF A4 сохранен издательский макет книги.

Глава 2

Так что же такое метаболизм?

«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?

Примечания

13

Речь о типах питания, способах размножения, заселяемой територии — в общем, об образе жизни разных видов. — Прим. науч. ред.

14

Болюс — кусок частично пережёванной пищи. — Прим. пер.

15

Хилус (лат. chylus — млечный сок) — молочная эмульсия. Такой вид приобретает лимфа после попадания в нее эмульгированных жиров. — Прим. науч. ред.

16

Пауэрлифтинг, или силовое троеборье — силовой вид спорта, суть которого заключается в преодолении сопротивления максимально тяжёлого для спортсмена веса. — Прим. ред.

17

Я понимаю, что аналогия может быть непонятна для читателей, живущих в развивающихся странах, таких как Соединенные Штаты:), которые не имеют функционирующей системы общественного транспорта, но поверьте мне: именно так они и должны работать… — Прим. авт.

18

Такой же вопрос можно задать и футбольным фанатам Детройта. — Прим. авт.

19

Шива является одним из главных божеств индуизма. Он — высшее существо в шиваизме, одной из главных традиций современного индуизма. Олицетворяет одновременно разрушительное и созидательное начала. — Прим. пер.