# Нэнси Ротвелл: «Даже у стройного человека запасено полмиллиона килоджоулей»

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=4KLNdsvhtKk
Канал: The Royal Institution
Опубликовано: 27.12.2024

---

В рамках знаменитых Рождественских лекций Королевского института 1998 года профессор Нэнси Ротвелл представила глубокий анализ механизмов энергетического баланса в организме человека и животных. Лектор наглядно демонстрирует, как потребляемая нами пища превращается в тепло, почему разные организмы требуют разного количества калорий и какие биологические механизмы управляют запасами жира. Главный фокус её выступления сосредоточен на поиске ответа на извечный вопрос: куда исчезает всё то, что мы съедаем, и как тело умудряется годами сохранять стабильный вес.

## ⚖️ Исторические весы Санторио и загадка «невидимого испарения»
[[JUMP:0:04]]

Нэнси Ротвелл начинает свое выступление с демонстрации простых бытовых весов и делится личным наблюдением: за последний месяц она съела около 40 кг еды, что составляет две трети её собственного веса в 60 кг. Логично было бы предположить, что этот объем пищи должен был значительно увеличить массу тела, однако весы показывают практически тот же результат, что и месяц назад. 

Этот парадокс еще 400 лет назад заинтересовал итальянского ученого Санторио Санторио, который учился в Падуанском университете одновременно с Уильямом Гарвеем, открывшим систему кровообращения. Санторио, будучи близким другом Галилея и, вероятно, соавтором первого термометра, решил проверить судьбу съеденного экспериментальным путем. 

Для этого исследователь провел уникальный эксперимент:

* Он построил гигантские весы, на которых закрепил платформу со столом и стулом.
* Ученый садился на эти весы вместе со всем заготовленным на день рационом пищи и вина.
* В течение суток он тщательно собирал все продукты своей жизнедеятельности — кал и мочу, чтобы сопоставить их вес с массой съеденного.

Санторио ожидал, что общий баланс веса останется неизменным, но обнаружил, что в процессе сидения на весах он постепенно и необъяснимо становился легче. На основе этих наблюдений ученый сделал вывод, что масса теряется за счет процесса, который он назвал «неощутимым испарением». Современная наука подтверждает, что организм действительно теряет часть веса через дыхание и пот, однако львиная доля съеденной пищи расщепляется, сгорает внутри клеток и покидает тело в виде чистой энергии и тепла.

## 💥 Взрывая кексы: как измерить энергию в еде
[[JUMP:03:32]]

С химической точки зрения любой привычный нам продукт — это просто упорядоченный набор базовых элементов:

* Вода
* Белки
* Углеводы
* Витамины и минералы
* Жиры

Энергия, необходимая для поддержания жизни, запасена в химических связях этих веществ, точно так же, как тепловая энергия запасена в куске каменного угля. Чтобы наглядно продемонстрировать этот скрытый потенциал, Нэнси Ротвелл проводит зрелищный эксперимент: она медленно погружает обычный сладкий кекс в жидкий кислород, охлажденный до температуры -180°C. Насыщенное кислородом кондитерское изделие при поджигании мгновенно взрывается ярким пламенем, высвобождая всю накопленную энергию в виде мощной вспышки света и тепла.

Для строгого научного измерения калорийности продуктов около 100 лет назад изобретатель по фамилии Парр сконструировал специальный аппарат — калориметрическую бомбу. Процесс измерения выглядит следующим образом:

1.  Образец пищи помещается внутрь прочной герметичной стальной капсулы («бомбы»), заполненной чистым кислородом.
2.  Капсула погружается в теплоизолированный резервуар с фиксированным объемом воды.
3.  К образцу подводятся электроды, и внутри капсулы происходит контролируемое сжигание.
4.  Специальные датчики фиксируют изменение температуры окружающей воды, позволяя рассчитать точное количество выделившихся джоулей.

В прямом эфире калориметр анализирует аналогичный кекс и выдает результат: прибор фиксирует значение в 27,21828 кДж на грамм, что практически идеально совпадает со средними справочными данными на магазинных упаковках (27 кДж).

## 🥩 Диета машин и полярных медведей: энергетическая плотность нутриентов
[[JUMP:08:10]]

Различные компоненты пищи обладают разной энергетической плотностью. Чистые углеводы (например, сахар) содержат около 16 кДж энергии на один грамм, что эквивалентно 16 000 кДж на килограмм. Чистый белок (постное мясо) демонстрирует практически идентичные показатели — те же 16 кДж на грамм. Жир же (например, свиное сало) является абсолютным рекордсменом по плотности упаковки энергии: он содержит около 38 кДж на грамм (38 000 кДж на килограмм), что более чем в два раза превышает показатели белков и углеводов. Еще одним скрытым и калорийным источником энергии выступает алкоголь, о высокой энергетической ценности которого многие люди даже не догадываются.

Для наглядности лектор приводит аналогию с гипотетическим автомобилем, который заправляют продуктами питания:

* На 1 кг углеводов машина смогла бы проехать примерно 2 мили.
* На 1 кг белка запас хода составил бы те же 2 мили.
* На 1 кг чистого жира автомобиль преодолел бы расстояние в 5 миль.

В живой природе рацион и частота питания видов напрямую зависят от калорийности их диеты и образа жизни. Коровы и олени вынуждены непрерывно жевать траву, так как их пища имеет крайне низкую энергетическую ценность. Львы питаются высококалорийным мясом и жиром, поэтому могут позволить себе устраивать трапезу раз в несколько дней, тратя время между приемами пищи на сложную охоту. 

Змеи представляют собой противоположный экстремальный пример: будучи холоднокровными созданиями, они не расходуют ресурсы на обогрев собственного тела. Змея может обходиться без еды месяцами, но когда она наконец заглатывает крупную добычу, интенсивность ее метаболизма и выделение тепла возрастают в 50 раз исключительно ради обеспечения энергозатратного процесса переваривания.

Другой удивительный пример биологической адаптации — выживание новорожденного белого медвежонка в условиях арктического холода. Ему одновременно необходимо расти и поддерживать стабильную температуру тела, сидя на голом льду. Обычное коровье или человеческое молоко содержит около 5% жира. В отличие от них, молоко полярной медведицы почти на 50% состоит из чистого жира. Чтобы получить аналогичный объем энергии и жировых компонентов, детенышу пришлось бы выпить 10 бутылок стандартного коровьего молока.

## 💡 Сколько ватт в человеку? Измерение метаболизма на ходу
[[JUMP:14:32]]

Даже в рамках одного человеческого вида скорость сжигания ресурсов глубоко индивидуальна. Крупные люди с большой мышечной массой закономерно тратят больше энергии, однако в реальности два человека абсолютно одинаковой комплекции могут отличаться по скорости метаболизма в два раза. При этом огромная часть калорий расходуется телом в моменты, когда человек абсолютно ничего не делает. Просто для того, чтобы лежать на диване, организму требуется около 4000 кДж (примерно 1000 ккал) в сутки. Эта энергия расходуется на непрерывную работу внутренних органов:

* Постоянные сокращения сердечной мышцы.
* Вентиляцию легких при дыхании.
* Фильтрационную функцию почек.
* Перистальтику и секрецию пищеварительной системы.

Основоположником измерения выделения тепла живыми организмами стал великий французский химик Антуан Лавуазье, который открыл, что для поддержания жизни нам необходим кислород. Судьба ученого сложилась трагически — во времена Французской революции он был казнен на гильотине. Примечательно, что его вдова позже вышла замуж за графа Румфорда — человека, который рассчитывал нормы питания для немецкой армии, изобрел самый первый калориметр для угля и впоследствии основал Королевский институт. Калориметр Лавуазье состоял из изолированной камеры, где размещалось животное, а пространство вокруг него заполнялось льдом. Измеряя точный вес талой воды, капающей из прибора, Лавуазье с высокой точностью рассчитывал тепловыделение организма.

Современные исследователи используют более элегантный метод — непрямую калориметрию. Каждое химическое превращение в наших клетках требует кислорода и образует углекислый газ, поэтому, замеряя газовый состав дыхания, можно безошибочно определить скорость метаболизма. В рамках лекции проводится эксперимент с добровольцем по имени Том, на которого надевают герметичную дыхательную маску. В состоянии покоя прибор регистрирует, что если бы Том лежал так весь день, его организму потребовалось бы 13 000 кДж. Текущее тепловыделение его тела составляет около 60 ватт, что сопоставимо с мощностью гирлянды из нескольких рождественских лампочек.

Стоит Тому начать слегка ерзать на стуле, как показатели тепловыделения мгновенно ползут вверх. Когда же его просят интенсивно бежать на месте, нагружая крупные мышцы ног, датчики фиксируют резкий скачок энергозатрат. Профессор Ротвелл отмечает, что при беге на пределе возможностей человеческое тело способно выделять до 1 киловатта энергии — это эквивалентно мощности одной секции стандартного домашнего электрообогревателя. Вся аудитория, находящаяся в лекционном зале, коллективно генерирует около 30 киловатт тепла в режиме покоя, чем и объясняется постепенное повышение температуры в помещении.

Чтобы наглядно сопоставить еду и физическую активность, лектор приводит временные рамки, необходимые для сжигания продуктов в режиме полного покоя:

* Энергия от одного съеденного яблока полностью сгорит примерно за 1 час.
* Небольшой кондитерский кекс потребует около 2 часов пассивного сидения.
* Один шоколадный батончик потребует либо долгих часов покоя, либо целого часа изнурительной и непрерывной игры в футбол или нетбол.
* Обильный праздничный рождественский обед (порция индейки с гарниром, закусками и пудингом) без учета спиртного будет расщепляться организмом около 24 часов непрерывного просмотра телевизора.

## 🐭 Правило Гулливера и прожорливые землеройки
[[JUMP:24:33]]

В мире фауны габариты тела жестко диктуют условия выживания. Медлительный ленивец спит по 17 часов в сутки, что позволяет ему успешно выживать на крайне скудной низкокалорийной диете из листьев. Напротив, крошечная птица колибри непрерывно и на огромной скорости машет крыльями, из-за чего нуждается в постоянных поставках концентрированного нектара. Самым экстремальным примером является крошечная землеройка (шрю): чтобы не погибнуть, она вынуждена ежедневно съедать объем пищи, превышающий ее собственный вес. Если бы землеройку удалось увеличить до масштабов взрослого человека, то для покрытия ее метаболических нужд ей пришлось бы поглощать по 500 чизбургеров каждые сутки.

Этот феномен объясняется базовым законом геометрии: мелкие объекты обладают огромной площадью поверхности тела по отношению к их общему внутреннему объему. Из-за этого теплая кровь маленького животного мгновенно остывает, контактируя с окружающей средой, и организму приходится постоянно «сжигать» колоссальные объемы пищи просто для удержания базовой температуры тела.

Эту фундаментальную биологическую закономерность упустил из виду писатель Джонатан Свифт в своем знаменитом романе «Путешествия Гулливера». Описывая быт лилипутов, автор указывает, что они рассчитали рацион для главного героя исходя из того, что Гулливер был ровно в 12 раз выше стандартного лилипута. Путем простых математических вычислений Свифт предположил, что гигант весит в 1728 раз больше ($12^3$), а значит, ему требуется ровно в 1728 раз больше еды и вина. Лилипуты выделили ему колоссальные 108 галлонов вина вместо стандартной половины пинты. Однако писатель совершил ошибку: крупным организмам из-за относительно небольшой площади поверхности требуется пропорционально гораздо меньше калорий на килограмм веса, поэтому реальный Гулливер на таком королевском пайке очень быстро бы растолстел и превратился в алкоголика.

## ⚖️ Из чего мы состоим: анатомия жировых запасов
[[JUMP:27:51]]

Исторически первыми исследователями, установившими точный химический состав человеческого тела, стали анатомы, которые брали трупы людей, буквально измельчали их в однородную массу и проводили детальный химический анализ. Они выявили строгую биологическую закономерность: объем содержащейся в теле воды находится в обратной зависимости от количества жировой ткани. Самым простым и доступным способом примерной оценки жировых запасов является обычный щипок за складку кожи, что в медицинских целях стандартизировано с помощью специальных механических приборов — калиперов.

Более точным методом является биоимпедансный анализ, в основе которого лежит пропускание через тело человека безопасного слабого тока низкой частоты. Жировая ткань обладает высоким электрическим сопротивлением, в то время как мышцы и вода проводят ток превосходно. На лекции проводятся замеры у двух молодых добровольцев:

* У юноши по имени Грег прибор фиксирует 15% жира в теле при возрастной норме от 12% до 18%.
* У стройной девушки по имени Бекки уровень жира составляет 23% при норме от 20% до 26%.

Несмотря на визуальную стройность, в теле девушки жира почти в полтора раза больше, чем у юноши. Нэнси Ротвелл объясняет, что это фундаментальное отличие заложено биологией: женский организм по своей природе обязан обладать большими энергоресурсами для успешного вынашивания и рождения потомства. В шутливой форме профессор перечисляет эволюционные преимущества женской анатомии в случае кораблекрушения:

> «Поскольку жир легче воды и обладает прекрасными плавучими свойствами, женщины будут отлично держаться на воде, пока мужчины пойдут на дно. Кроме того, этот слой служит великолепной теплоизоляцией от ледяной воды и обеспечит долговременный запас энергии для выживания».

Анализируя состав тела на примере специального макета (соответствующего параметрам самой Нэнси Ротвелл с ее 21% жира), лектор разделяет организм на четыре ключевых компонента:

* **Минеральные вещества:** сосредоточены преимущественно в костной ткани.
* **Вода:** составляет наибольшую часть массы, достигая около 60% у большинства людей.
* **Белки:** формируют мышечную массу и составляют около 15% веса.
* **Жиры:** служат главным долгосрочным энергетическим депо организма.

Энергетический потенциал этих компонентов распределен крайне неравномерно. В костях и воде энергии нет. Небольшой объем углеводов в виде гликогена, запасенного в печени и мышечных волокнах, эквивалентен всего 10 000 кДж калорийности. Этого резерва хватит максимум на сутки пассивной жизни, но он критически необходим как мгновенное топливо для быстрого бега в случае опасности. Белки мышц содержат солидные 150 000 кДж, однако расходовать их организму крайне невыгодно, ведь это приведет к разрушению структуры мускулатуры, сердца и печени. 

Основным и самым эффективным хранилищем выступает жировая ткань. Даже у худощавого человека в жировых депо аккумулировано не менее полумиллиона килоджоулей. Под электронным микроскопом человеческий жир выглядит как плотное скопление крупных округлых клеток — адипоцитов. Особенность этих клеток заключается в том, что по мере набора веса они не размножаются, а просто раздуваются в размерах, накапливая внутри себя капли триглицеридов.

## 🧠 Мозг, гормон лептин и генетика ожирения
[[JUMP:39:11]]

Чтобы масса тела человека оставалась неизменной на протяжении десятилетий, в организме должна работать жесткая система автоматической регуляции — гомеостаз. В качестве оперативного химического маркера сытости тело использует уровень глюкозы в крови. Экспресс-тест крови двух добровольцев наглядно подтверждает эту связь:

* У Тима, который плотно поел лазаньи перед самым началом шоу, уровень глюкозы повышен и составляет 6.7 ммоль/л, при этом парень не испытывает ни малейшего чувства голода.
* У Нила, не принимавшего пищу с самого утра, уровень сахара опустился до отметки 4.8 ммоль/л, и он признается, что сильно голоден.

Главным диспетчером, улавливающим эти колебания, выступает гипоталамус — крошечная, но критически важная зона, расположенная в самом основании головного мозга. Нэнси Ротвелл демонстрирует детальный снимок собственного мозга, полученный на магнитно-резонансном томографе (МРТ) в Манчестере. Именно гипоталамус непрерывно сканирует кровь на предмет концентрации глюкозы и формирует осознанное ощущение голода или насыщения. Пациенты, перенесшие органическое повреждение или опухоль гипоталамуса, полностью теряют этот регуляторный барьер и проводят все свои дни в непрерывных поисках и поглощении пищи.

Однако глюкоза — это лишь кратковременный сигнал, который ничего не сообщает мозгу о долгосрочных запасах жира в депо. Около 30 лет назад ученые провели эксперимент: они платили студентам деньги за то, чтобы те ежедневно съедали избыточное количество калорий. Результаты удивили исследователей: часть участников предсказуемо поправилась, но многие студенты вопреки логике остались такими же худыми. 

Нэнси Ротвелл продолжила эти изыскания в своей лаборатории. Она закупала в супермаркетах обычные сладости, шоколад и печенье, но скармливала этот избыточный рацион лабораторным грызунам. Как и в случае со студентами, значительная часть животных отказывалась набирать вес. Выяснилось, что их организм в ответ на переедание резко ускорял метаболизм, активируя уникальную ткань — бурый жир. В отличие от обычного белого жира, бурая жировая ткань не запасает калории, а целенаправленно сжигает их, рассеивая избыточную энергию в виде чистого тепла. 

В качестве живой иллюстрации в студию приглашают индийского крылана (летучую лисицу) по имени Кевин. Это млекопитающее питается исключительно фруктами, в которых содержится ничтожно мало белка. Чтобы набрать суточную норму протеинов, Кевину приходится съедать гигантские объемы плодов, получая колоссальный избыток сахаров и энергии. Он должен был неминуемо страдать от тяжелого ожирения, однако природа снабдила его мощными прослойками бурого жира, которые мгновенно утилизируют лишние углеводы, превращая их в тепло и сохраняя летучую лисицу поджарой. 

Совершенно иначе устроен организм других лесных обитателей — сонь-полчков (эдибл дормайс). С приближением осени их мозг улавливает изменение длины светового дня и подавляет активность бурого жира. Животные начинают стремительно накапливать подкожное сало, чтобы накопить достаточный внутренний ресурс для выживания во время долгой зимней спячки.

Древний доисторический человек находился в схожих условиях дефицита ресурсов, поэтому эволюция закрепила в нашей ДНК механизмы эффективного запасания жира на случай голода. Любопытно, что культурные маркеры привлекательности в разных уголках планеты до сих пор отражают этот эволюционный подтекст. Согласно недавним социологическим опросам, мужчины в США выбирают по фотографиям стройных женщин с узкой талией. Однако аналогичный опрос мужчин из коренных племен в глубоких перуанских джунглях показал противоположный результат: они единогласно признали привлекательными исключительно полных женщин с широким тазом. Когда перуанским индейцам показали фотографии худых американских моделей, они искренне сочли их тяжелобольными и заявили, что эти женщины, скорее всего, страдают от тяжелой диареи и находятся на грани смерти.

В современных реалиях этот защитный эволюционный механизм обернулся против нас. Общество столкнулось с пандемией ожирения, ярким историческим примером которого служит Дэниэл Ламберт, весивший рекордные 53 стоуна (около 336 кг). После его кончины плотникам пришлось разрушить стену дома, чтобы вытащить тело, а его гроб несли 20 мужчин. Причина кроется в тотальном изменении нашего образа жизни:

* Мы передвигаемся на автомобилях вместо ходьбы пешком.
* Мы пользуемся лифтами вместо подъема по лестницам.
* Мы постоянно перегреваем свои дома центральным отоплением, лишая организм необходимости тратить калории на банальный обогрев.

Тем не менее, ключевым фактором остается генетическая предрасположенность. Ярким примером служат индейцы племени пима. Когда они проживали в Центральной Америке и вели традиционный образ жизни, сопряженный с тяжелым физическим трудом и скромным питанием, все они были поджарыми и стройными. Но как только часть племени переселилась в Северную Америку и получила доступ к дешевому фастфуду и малоподвижному образу жизни, они начали стремительно набирать вес, причем скорость развития ожирения у них оказалась значительно выше, чем у коренных белых американцев. 

Аналогичный феномен наблюдается у иглистых мышей из Израиля: пустынные виды мгновенно жиреют в условиях избытка корма в лаборатории, в то время как их горные сородичи, привыкшие к холоду, остаются худыми в тех же условиях.

Настоящим прорывом в молекулярной биологии стало случайное открытие линии мышей с врожденным генетическим ожирением. Один из грызунов из-за спонтанной мутации вырастал в несколько раз крупнее своих нормальных сородичей. Исследования показали, что причиной дефекта стало повреждение всего одного крошечного гена, получившего название гена OB (от слова *obese* — ожирение). Этот ген отвечает за синтез уникального белка — гормона лептина (от греческого «лептос» — тонкий).

Механизм действия лептина выглядит следующим образом:

1.  Гормон синтезируется непосредственно клетками жировой ткани, причем объем его выработки строго пропорционален общей массе жира в организме.
2.  Лептин выделяется в системный кровоток и транспортируется к головному мозгу.
3.  В гипоталамусе гормон связывается со специфическими рецепторами.
4.  В ответ на это мозг мощно подавляет аппетит, ликвидирует чувство голода и одновременно дает команду на ускорение метаболизма и увеличение расхода энергии.

Открытие лептина стало тем самым недостающим звеном в понимании долгосрочной регуляции веса. На момент 1998 года этот гормон является невероятно дефицитным материалом — производство крошечной пробирки обходится ученым примерно в 1,5 миллиона фунтов стерлингов. Тем не менее, именно детальное изучение механизмов действия лептина и поиск способов управления его рецепторами открывают перед медицинской наукой колоссальные перспективы для создания эффективных лекарств от метаболических расстройств и ожирения в будущем.