В гармонии с едой. Основы питания от доказательного диетолога

Законы физики и человеческий организм

Ну что, дорогие мои биологи, мы продолжаем достаточно сложную тему. И чтобы упростить восприятие, давайте проведем аналогию с автомобилем. Итак, мы заправляем автомобиль одним видом топлива. Это может быть бензин, дизель, газ, а кто-то стал сторонником зеленой энергетики и использует электромобили. Двигатель автомобиля не может работать на двух видах топлива одновременно, поэтому, приезжая на заправку, мы выбираем именно тот, который для него предназначен.

Выше мы выяснили, что в качестве источника энергии человек потребляет органические соединения, которыми являются белки, жиры и углеводы. По аналогии с автомобилем нашему организму нужен один универсальный источник энергии, а не три. Что же делать?

Теперь чуть усложним. Универсальный источник энергии [19] имеет сложное название аденозинтрифосфат (АТФ). В нашем организме химические связи органических соединений разрываются, и все это преобразуется в такую универсальную валюту – АТФ. Причем ее мы за день производим столько, что она по массе сопоставима с массой нашего тела [20]. Запасы АТФ можно представить в виде батарей, в которых хранится энергия [21]. И дальнейшее использование этой энергии приводит в действие все процессы нашего организма.

Сейчас придется вспомнить еще один сложный предмет из школьной программы. В основе понимания феномена жизни и процессов, которые протекают в человеческом организме, как и в организме любого живого существа, лежат законы физики [22]. Они используются для объяснения многих функций организма, включая механику мышц и движений тела, механику движения крови и воздуха, слуховые и акустические свойства ушей, зрительную оптику, тепло, энергию и электрические сигналы. Причем эти законы будут существовать вне зависимости от нашей веры в них. Можно не верить в закон всемирного тяготения, но если мы прыгнем с высокой поверхности вниз, то за счет гравитации очутимся на земле, а не зависнем в воздухе.

Как только на Земле возникла жизнь, она распространилась по планете и приняла замечательные и порой удивительные формы. И на первый взгляд может показаться, что она безгранична в своем размахе. Но как бы банально это ни звучало, жизнь должна подчиняться законам физики. Да, мы ограничены в понимании некоторых процессов, но тем не менее физические явления пронизывают все формы жизни. И даже небольшие живые организмы демонстрируют законы физики в процессе своего существования. Давайте посмотрим на навозного жука, который катит свое богатство. Да, понимаю, не самый лучший пример для книги про еду, но какой есть.

Можно сказать, что жук реализует принцип колеса. И именно физика, а не случайные эволюционные изменения, позволяют жуку использовать такой своеобразный транспорт.

Перейдем к более сложным процессам. Полет насекомых является изысканным примером биофизики [24]. И в основе такого явления лежат изученные физиками аэродинамический подъем, характерная форма крылышек, которая позволяет создать область низкого давления над крылом, а также механизм «хлопай и бросай». Когда крылья толкаются в обратном направлении, они схлопываются вместе. Такой маневр вытесняет воздух между ними и обеспечивает дополнительную тягу. Потом крылья начинают свой передний ход и раздвигаются; воздух, который устремляется, чтобы заполнить зазор, улучшает циркуляцию над поверхностью крыла и, таким образом, увеличивает подъемную силу. Только благодаря высокоскоростной фотографии ученые относительно недавно узнали, как насекомые используют каждый нюанс физики для осуществления полета.

В основе человека, насекомых, в том числе навозного жука, и всех других существ, лежат молекулы. И они также подчиняются законам физики. В качестве примера возьмем аминокислоты, которые являются строительными блоками белков. Цепочки аминокислот, как и молекулы, склонны сворачиваться таким образом, чтобы достичь своего самого низкого энергетического состояния. Каждый последующий этап складывания для поиска наиболее стабильного состояния, чтобы все не развалилось, управляется термодинамикой. И как бы нам ни казался этот процесс случайным, чтобы выбрать для конкретных белков определенную форму, работают фундаментальные законы физики [25].

Итак, мы убедились, что все организмы подчиняются законам физики и жестко ограничены универсальными принципами, которые действуют в любом масштабе, начиная с целого организма, заканчивая молекулярным и субатомным уровнем. И конечно же, человеческий организм не исключение.

Если мы с вами говорим про еду, то в этом контексте главным законом, конечно, является первый закон термодинамики или закон сохранения энергии [26]. Он гласит: «Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, но может быть преобразована из одной формы в другую». А мы уже выяснили, что для нас источником энергии является пища. И, судя по написанному выше, из ниоткуда еда возникнуть не может. Мы должны где-то ее найти, купить или отобрать и съесть. А организм уже может использовать полученную энергию по трем направлениям: запасти в виде жира, преобразовать в АТФ для последующего использования или рассеять в виде тепла [27].

А так как все потребляемые нами продукты отличаются друг от друга, возникает вопрос, как же измерить и понять, сколько энергии содержится в той или иной еде. И об этом мы поговорим с вами далее.

Калории, джоули и другая скукота

Может показаться, что расчеты количества энергии – это просто какие-то математические заморочки. Но так как еда содержит основные компоненты (белки, жиры, углеводы) в разных пропорциях, они имеют очень важное практическое применение. Как минимум благодаря расчетам есть возможность оценить, насколько питательны имеющиеся запасы продовольствия. А как максимум – проанализировать рационы населения (или даже отдельных лиц) и понять, соответствуют ли имеющиеся в магазинах продукты их потребностям. Поэтому оценка энергетической ценности еды имеет важное значение для социально-экономической сферы и для здравоохранения.

ПОДСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ПРОДУКТОВ ПОМОГАЕТ РЕШИТЬ ДВЕ ПРОТИВОПОЛОЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ – ЭТО НЕДОЕДАНИЕ И ОЖИРЕНИЕ. Недостаточное потребление энергии (недоедание) по-прежнему ограничивает потенциал людей, а избыточное все чаще приводит к очень высокой распространенности ожирения (с сопутствующими ему осложнениями) во всех социально-экономических слоях как в развивающихся, так и в развитых странах. На данный момент, покупая продукты, например, в супермаркете, на упаковках можно встретить такие обозначения, как калории и джоули. Что это такое и как их определяют? Давайте разбираться.

Главный источник [28], который нам в этом поможет, – документ ФАО, который называется «Пищевая энергия – методы анализа и коэффициенты пересчета». И начнем мы с такой единицы измерения, как калория. Кстати, она не является стандартизированной. «Стоп, погоди, как это не является? На упаковке с пельменями же написано», – спросите вы. Да, но дело в том, что в системе международных единиц СИ есть джоуль (Дж), а калории нет.

Напомню, что такое СИ (от французского Système International d’Unités) – современная метрическая система измерения. Она была учреждена в 1960 году XI Генеральной конференцией по мерам и весам. Эта конференция является международным органом, обеспечивающим широкое распространение СИ и модифицирующим ее по мере необходимости, чтобы отражать последние достижения в области науки и технологий.

Полное официальное описание системы вместе с ее толкованием содержится в действующей редакции Брошюры СИ [29], которая издается на французском языке с 1970 года.

СИ была создана французскими учеными и впервые широко внедрена после Великой французской революции. До введения метрической системы единицы выбирались независимо друг от друга, поэтому пересчет из одной в другую был сложным. Особенно неудобно было все это использовать в международной торговле, когда одни продавцы взвешивают апельсины (например) в килограммах, а другие в каких-нибудь чашках. А сейчас, если мы откроем Брошюру СИ, мы увидим килограммы, амперы, ватты, джоули и другие единицы измерения с описанием, символами, международными обозначениями. Как говорится, «удобненько».

Несмотря на рекомендацию более 30 лет назад использовать для обозначения энергетической ценности продукта только джоули, многим ученым и неученым потребителям до сих пор трудно отказаться от использования калорий. Да нам это и не так принципиально.

Если мы будем вместо калорий считать джоули, в морковке все равно не появится больше энергии, чем в чипсах. А было бы неплохо, особенно если чипсы со вкусом сыра… ой, что-то мы отвлеклись.

Итак, энергию пищи можно выразить в джоулях и калориях. А теперь давайте поговорим о том, как же измеряют эту энергию. Ведь на продуктах, которые мы покупаем, уже указаны какие-то значения, значит, эти цифры не спускаются на скрижалях с небес, а их как-то вычисляют. Теоретическое максимальное содержание энергии в пище можно измерить с помощью бомбовой калориметрии. Почему только теоретическое? А потому что наш организм не механизированное устройство и, соответственно, пища может перевариться и усвоиться не вся. Часть энергии теряется с мочой, фекалиями. Но об этом чуть позже. Пока давайте рассмотрим, что представляют собой эти устройства для измерения энергии пищи. А для этого минуточка истории.

На данный момент мы с вами знаем, что люди и животные выделяют тепло. Понимаем, как оно образуется, какие химические реакции протекают, но так было не всегда. Раньше считалось, что наши тела не выделяют тепло, а наоборот, его накапливают из внешних источников. Такая концепция называлась врожденным огнем, ну или жизненной силой [30]. Согласно древнегреческим врачам, жизненно важное тепло производится сердцем, поддерживается пневмой (воздухом или душой) и циркулирует по телу в кровеносных сосудах. Гален^[4] писал, что «сердце является как бы очагом и источником врожденного тепла, которым управляет животное». В XI веке Авиценна^[5] согласился с этим представлением, заявив в своем «Каноне медицины» [31], что сердце производит дыхание, «жизненную силу или врожденное тепло» внутри тела. И даже в Циклопедии (одна из первых общих энциклопедий) 1728 года тепло организма описывается следующим образом: «Это есть не что иное, как истощение частей крови, вызванное ее циркуляционным движением, особенно в артериях» [32]. Сейчас такие представления о физиологии человеческого организма и животных кажутся забавными и, возможно, смешными, но стоит заметить, что XVIII век – это не так уж и давно.

Во второй половине XVIII века французский ученый Антуана Лавуазье использовал первый в мире калориметр для животных – устройство для измерения выработки тепла живым организмом [33]. Благодаря его наработкам и были изобретены приборы для определения количества энергии в еде.

Давайте рассмотрим калориметр Лавуазье (рисунок ниже). Внешняя оболочка прибора была заполнена тающим снегом для поддержания постоянной температуры 0 °C вокруг внутренней оболочки, заполненной льдом. Под внутренней оболочкой располагалась проволочная клетка, в которой находилась морская свинка. По мере того, как лед таял от тепла, выделяемого морской свинкой, вода вытекала из калориметра, собиралась и взвешивалась. Каждый килограмм представлял собой 80 ккал тепла, выделяемого животным. Лавуазье отметил, что за 10 часов морская свинка растопила 0,37 кг льда, выделив таким образом 29,6 ккал тепла (0,37 кг × 80 ккал тепла/кг). Он пришел к выводу, что «дыхание есть горение». То есть дыхательный газообмен представляет собой горение, подобное горению свечи.

И, как свече для поддержания горения и выделения тепла, живым существам для «сжигания» еды нужен кислород.

В наше время используют уже более усовершенствованные устройства – бомбовые калориметры, как на рисунке ниже.

Бомбовый калориметр представляет собой прочный, герметически закрывающийся сосуд-бомбу 1, окруженную «водяной рубашкой» 4. Образец горючего вещества известной массы помещается в тигель 2 внутри бомбы с чистым кислородом и поджигается электрической искрой. Цифрой 3 обозначены электрические провода для поджига образца, 5 – теплоизолирующий корпус.

Они выдерживают большее давление внутри чаши для измерения во время реакции. Для воспламенения топлива (продукта) используется электрическая энергия. По мере сгорания топлива нагревается окружающий воздух, который расширяется и выходит через трубку, нагревая воду снаружи трубки. Изменение температуры воды позволяет рассчитать калорийность продукта. Средняя теплота сгорания [34] получается следующей: белки – 5,7 ккал/г, жиры – 9,5 ккал/г, углеводы – 4,1 ккал/г. И наверное, те, кто хоть немного знаком с темой калорий, заметили несостыковку. Откуда она возникла, давайте разбираться.

Как мы уже говорили выше, человеческое тело не является совершенным двигателем и не сжигает еду настолько эффективно. Поэтому перед учеными встала задача разработать коэффициенты преобразования пищевой энергии, чтобы понять, сколько же ее все-таки теряется в процессе пищеварения, всасывания и выделения. Это оказалось нелегко. С конца XX века было разработано большое количество коэффициентов, в результате возникла путаница. Нужно было все как-то систематизировать и решить, что же использовать.

Первая система коэффициентов, которая была разработана, названа в честь самого ученого – система общих факторов Этуотера. Уилбур Олин Этуотер был одним из самых влиятельных исследователей питания в Соединенных Штатах. Он родился в 1844 году в Джонсбурге, штат Нью-Йорк, и изначально собирался стать инженером-строителем. Вместо этого Этуотер получил докторскую степень по сельскохозяйственной химии в Йельском университете и провел два года, изучая сельскохозяйственную и физиологическую химию в Германии. В конце концов он переключил свое внимание на анализ химического состава пищи и отправился в Мюнхен, где изучил новые немецкие методы анализа содержания макронутриентов в пище. По возвращении домой Этуотер сразу же начал применять эти знания на практике.

В 1890-х годах ученый нашел финансирование для создания первого в стране аппарата дыхательного калориметра в Уэслианском университете. Это было необходимо чтобы выяснить, «сколько каждого из различных питательных ингредиентов пищи человек действительно потребляет при различных условиях отдыха и работы». Вот как он описал свое изобретение в журнале Century Magazine [35] в 1897 году: «Эксперименты проводятся с человеком внутри шкафа, или, как его называют, дыхательной камеры. На самом деле это медный ящик, заключенный в кожух из цинка и дерева. В нем человек живет – ест, пьет, работает, отдыхает и спит. Имеется постоянный приток свежего воздуха для проветривания. Температура поддерживается на уровне, наиболее приятном для жильца. В камере есть небольшая раскладушка-кровать, стул и стол. Днем кровать складывается и откладывается в сторону, чтобы человек мог сидеть за столом или ходить взад-вперед. Его прогулка, однако, ограничена: помещение имеет 7 футов в длину, 4 фута в ширину и 6 футов в высоту^[6]. Пища и питье подаются в камеру через отверстие, которое помимо этого служит для удаления твердых и жидких продуктов выделения, а также для ввода и вывода туалетных принадлежностей, книг и других вещей, необходимых для комфорта и удобства».

В этих первых экспериментах Этуотер использовал калориметр, чтобы измерить, сколько энергии человек потребляет при различных видах деятельности. Эсперимент длился 12 дней, в течение которых участники три дня по восемь часов в день были зайдествованы в физическом труде, связанном с поднятием отягощений, три дня участвовали в умственном труде и три дня полного отдыха. Благодаря использованию своего калориметра Этуотер смог изучить метаболизм человека и расход калорий более тщательно, чем кто-либо прежде.

Субъект выходит из большого дыхательного калориметра

В итоге у Этуотера получилось вывести коэффициенты потери энергии при пищеварении, всасывании и выведении мочевины с мочой, так как рацион участников эксперимента был тщательно проанализирован, и мочу с калом дополнительно сжигали в калориметре. Получились следующие цифры: энергетическая ценность составляет 4,0 ккал/г для белков, 9,0 ккал/г для жиров и 4,0 ккал/г для углеводов. Ну и спирт с округленным значением 7,0 ккал/г или неокругленное значение 6,9 ккал/г. Система Этуотера получила широкое распространение – отчасти из-за ее очевидной простоты.

Этуотер внес еще один очень важный вклад в науку. Своими многочисленными экспериментами он доказал, что закон сохранения энергии применим к людям, а не только к животным, вопреки существовавшему мнению об уникальности людей.

Чтобы немного систематизировать цифры, которые были перечислены, давайте отобразим все в таблице.

На первый взгляд может показаться, что проблема решена. Мы теперь знаем коэффициенты и можем понять, сколько энергии организм тратит на переваривание, всасывание и выведение. Но все не совсем так. Работа Этуотера показала, что полученные коэффициенты являются средними значениями. К тому же они были получены при смешанной диете, когда испытуемые потребляли белки, жиры и углеводы вместе, а не по отдельности. По этой причине значения для отдельных продуктов могут отличаться.

Понимая это, с середины 50-х годов ученые начали выводить модификации коэффициентов Этуотера. Например, в 1970-х годах Д. В. Дурнин и Д. А. Саутгейт [36] добавили коэффициент для простых сахаров (глюкозы), и доступная энергия составила 3,75 ккал/г. Позднее они рекомендовали использовать для пищевых волокон значение 2,0 ккал/г, учитывая, что 70 % волокон подвергается ферментации в кишечнике и часть энергии, вырабатываемой при брожении, теряется в виде газа или с фекалиями.

Если вы думаете, что уже можно запутаться, то это еще не все. Аннабель Меррилл и Бернис Уотт из Министерства сельского хозяйства США объединили результаты 50-летних исследований и вывели различные коэффициенты для белков, жиров и углеводов в зависимости от продуктов, в которых они содержатся [37]. Называется их работа «Система специфических факторов Этуотера». Что же предложили ученые?

Белки различаются по своему происхождению, могут быть животной или растительной природы. А значит, и их составные компоненты – аминокислоты, точнее, их составы – также отличаются. И, следовательно, теплота сгорания тоже будет различаться. Например, теплота сгорания белка в рисе примерно на 20 % выше, чем у белка в картофеле, и для каждого из них следует использовать разные коэффициенты. Помимо этого, Меррилл и Уотт предложили учитывать и степень обработки продукта. Ведь на усвояемость зерна (и содержание в нем клетчатки) может влиять способ помола.

И чтобы точно всех запутать, авторы создали целый набор таблиц для продуктов. Отрывок из такой таблицы можно посмотреть ниже.

Может показаться, что теперь-то точно все учли и можно жить спокойно. Но опять возникает проблема. Часть энергии пищи не только теряется с фекалиями, мочой, но и расходуется на химические процессы, которые протекают в нашем организме. И если это учесть, то вот тогда можно получить так называемую чистую энергию [38], т. е. ту, которая необходима и используется для роста, размножения, передвижения, дыхания и т. д. К слову, такие расчеты активно используются в животноводстве. Система чистой энергии была внедрена в кормление крупного рогатого скота и свиней и позволила экономить на закупках корма до 2 % [39].

Приведем пример. Мы с вами уже говорили о том, что энергетическое значение спирта составляет 7,0 ккал/г. А если его перевести в чистую энергию, то получим 6,3 ккал/г.

Для большей наглядности, давайте объединим систему предложенную Этуотером, модифицированные системы и систему чистой энергии в одну таблицу.

В результате множества подходов на техническом семинаре ФАО возникла путаница. Ее итогом стали следующие рекомендации.

БЕЛКИ – 4 ккал/г. При этом необходимо учитывать аминокислотный состав в ситуациях, когда пища используется в качестве единственного источника питания, например, детская смесь и продукты, разработанные специально для особых диетических условий.

ЖИРЫ – 9 ккал/г. В случае с новыми жирами (такими как салатримы) содержание неперевариваемых жиров не должно включаться в энергетическую ценность пищи.

Салатримы – новая пищевая добавка, одобренная в качестве низкокалорийного заменителя жира.

УГЛЕВОДЫ – 4,0 ккал/г. Но для простых сахаров следует использовать значение 3,75 ккал/г.

СПИРТЫ – 7 ккал/г.

Таким образом, суммарную энергетическую ценность рациона мы можем выразить в калориях. А точнее, в килокалориях, 1 ккал равна 1000 калорий.

Но так как маленькие калории в обиходе не используют, обозначая все в килокалориях, часто их упрощают и говорят – калории [40].

Мы уже с вами определились, что еда является источником энергии, а эту энергию можно выразить в виде калорий.

И чтобы понять, как количество энергии влияет на нашу массу тела, далее поговорим про энергетический баланс в организме человека.