Имеет ли смысл считать калории? Все калории одинаковы (2/2)
Всем привет! Меня зовут Артур Миллер, пару дней назад я выкладывал первую часть большой статьи о том, имеет ли смысл считать калории.
Мы выяснили, что формула расчета скорости базового метаболизма, которая лежит в основе подсчета калорий, не учитывает ряд моментов и неспособна дать точную цифру суточного энергопотребления. Мы узнали, что одинаковые калории из разных продуктов могут по-разному влиять на энергозатраты в покое, чувство насыщения, динамику веса. Масла в огонь также подлили низкоуглеводные и высокобелковые диеты, с их впечатляющими результатами в клинических исследованиях.
В общем, метод учета калорийности сильно нахватал по щам, всё закончилось со счетом 2 - 5 не в его пользу. Сегодня будет реванш, и непохоже, что подсчет калорий собирается сдаваться. Погнали!
Все калории одинаковы, или 3 века великих биофизиков: от Лавуазье до комментаторов с Пикабу
Действительно, какая может быть связь между теплом, выделяемым при горении продукта в калориметре и тем теплом, что выделяют наши тела? Ведь организм человека – это совсем не бабушкина печь, но сложно устроенная конструкция на стыке десятков дисциплин. Неужели можно сравнивать горение полена в печи и метаболические процессы в наших клетках? Да, можно. Более того, принципиально – это одно и то же.
К началу восемнадцатого века природа тепла, которое излучает человек и другие теплокровные животные, всё еще оставалась загадкой, покрытой суеверным мраком. Ученые мужи того времени наделяли тепло живого тела мистическими качествами, из поколения в поколение передавали высосанные из пальца средневековые домыслы, на основании которых неискушенная публика слагала псевдонаучный фольклор. В общем, всё в лучших традициях пабликов ВК.
Зимой с 1782 на 1783 год великий француз Антуан Лоран Лавуазье решил, что терпеть невежественное мракобесие ему далее невмоготу и пора показать, кто в здании батя. Он уже давно обратил внимание на схожесть дыхания живых существ и процесса горения. Для поддержания огня свечи нужен кислород, как и для поддержания жизни. Как и любая божья тварь в процессе дыхания, огонь выделяет углекислый газ. Если зайти в комнату со множеством зажженных свечей, почувствуешь ту же тяжесть воздуха и ту же его спёртость, как если бы в комнате длительно пребывала многочисленная публика.
«Хм.. а эту идею стоить проверить. Ведь если я прав — это фурор, все придворные сучки будут визжать», — наверняка подумал Лавуазье, глядя на декабрьскую слякоть Парижа из окна своей лаборатории. Он позвал на помощь своего друга-физика, не менее великого француза Пьера-Симона Лапласа и в ту же неделю они принялись за дело.
Вместе они решили спроектировать аппарат, который бы позволил посчитать количество тепла, выделяемого при дыхании живым организмом и сравнить его с теплом, выделяемым при горении. Для этого они соорудили конструкцию, напоминающую три ведра, вставленные друг в друга, одно меньше другого. В первое ведро – самое маленькое – ученые поместили живую морскую свинку. Мужикам пришлось изрядно потрудиться, чтобы заверить хозяйку питомца – жену Лавуазье – в полной безопасности эксперимента. Пространство между первым и вторым ведром заполнили льдом, а между вторым и третьим – снегом, который выполнял функцию теплоизоляции [24].
Смысл аппарата был такой: свинка сидит внутри первой камеры и с дыханием выделяет тепло и углекислый газ. Тепло плавит лёд, который находится во второй камере, а вода, которая при этом образуется, медленно стекает через специальный краник в ёмкость. Наружная камера со снегом нужна для того, чтобы изолировать лёд от теплого воздуха лаборатории, и чтобы таяние льда происходило только за счет тепла, вырабатываемого свинкой. Так был изобретен калориметр. Вот примерно такой (только тут прохлаждается мышка) [25]:
К этому моменту ученым было известно, что для расплавления килограмма льда требуется тепло в количестве 80 ккал. Они держали морскую свинку в своем аппарате на протяжении 10 часов и за это время в лоток стекло 370 мл воды. Получается, что свинка выделила тепло в размере 29,6 ккал (80*0,37). Но, что самое главное: свинка выделила столько СО2, сколько выделяет свеча при горении с выделением того же количества тепла. Исходя из полученных данных, в своем «Докладе о тепле» Лавуазье проницательно заключился, что «la respiration est donc une combustion», или «дыхание – это и есть горение» [25, 26].
Примерно в то же время на другой стороне Ла-Манша шотландец Адэр Крофорд обратил внимание на то, что животное при дыхании вносит некоторые изменения в состав воздушной смеси — снижается доля О2 и увеличивается доля СО2 — те же изменения, что происходят с воздухом при горении угля. В эксперименте Крофорд посчитал, что выработка тепла животным на единицу потребленного объема кислорода равна таковому при горении углеводородов [27].
Итак, морская свинка ест углеводы (в виде пищевых волокон – травка, морковка, или что там они едят) и потребляет кислород, в результате чего продуцирует тепло, углекислый газ и воду. Если все многочисленные биохимические процессы получения энергии в организме млекопитающих привести к одной формуле, получится суммарное уравнение аэробного гликолиза (окисления глюкозы):
C6H12O6 (глюкоза) + O2 = СO2 + H2O + АТФ (энергия)
Кстати, если рассмотреть эту формулу наоборот – получится фотосинтез. Растение берет из воздуха CO2, из почвы – воду и, используя энергию Солнца, синтезирует собственную ткань – пищевые волокна, которые съест морская свинка [28]:
СO2 + H2O + Солнечная энергия = C6H12O6 (глюкоза)
А если мы напишем формулу горения бензина или метана (или полена, или морковки, или любого органического соединения), получится ровно такая же формула, как и при гликолизе, только вместо глюкозы будет метан [29]:
CH4 (метан) + O2 = СO2 + H2O + тепло (энергия)
Так устроен мир. Энергия приобретает разные виды и свободно перемещается, но никуда не исчезает и не появляется на ровном месте. И те рельсы, по которым она движется, принципиально одинаковы, просто меняется положение стрелок на путях.
Тепло, выделяемое при горении любой органики = тепло выделяемое при окислении нутриентов в клетке; дыхание = горение; твои клетки = бабушкины печки, а калория = это калория.
Современная прямая калориметрия
Итак, мы узнали, что энергия, получаемая при сгорании продуктов в калориметре = энергия, получаемая нашим телом при их переработке.
Этим сейчас и займемся. Калориметр Лавуазье эволюционировал в современный бомбовый калориметр, используемый, в том числе, для определения энергетической ценности продуктов питания. Это некий ящик, в котором образец помещается в изолированную капсулу-«бомбу», заполненную кислородом под давлением. В свою очередь эта капсула погружена в еще одну емкость, заполненную водой. К образцу подведены электроды, и, когда на них подается электрический ток, образец воспламеняется и горит в присутствии кислорода. Тепло, которое выделяет образец при горении, нагревает воду, окружающую «бомбу». На основании изменения температуры воды рассчитывается количество калорий, выделенных образцом при горении [30].
Смысл в том, что морковка не загорится, если просто поднести к ней спичку. Чтобы запустить процесс окисления морковки и понять, сколько она содержит энергии, её приходится помещать в условия, наиболее способствующие горению – подавать под давлением кислород. Тогда она воспламеняется, и мы можем зафиксировать, сколько тепла она дала.
Поправки на потери энергии при метаболизме
Для того, чтобы получить энергию из морковки, например, наш организм использует не горение в кислороде под давлением, а множество идущих друг за другом биохимических реакций. Противники подсчета калорий говорят, что энергия, получаемая из морковки человеком, не может быть объективно оценена сжиганием морковки в печи. Что это разные процессы, они протекают по-разному, а эти разности никем не учитываются.
Спустя два века после смерти Лавуазье, сильнейший ум своего времени в одном из комментариев на развлекательном портале резонно заметит, что организм человека, всё же, не «кислородная печка» и он требует ясности в этом вопросе.
И правда, еда в калориметре сгорает до золы, остаются только неорганические отходы, не несущие энергию. Человек в этом плане, действительно, не «печка», и не способен переработать пищу так же эффективно. Она сгорает частично, как если бы полено достали из огня, не дав ему прогореть до конца. Вместе с калом и мочой выходит много непереработанных органических отходов, которые могли бы дать энергию, но ушли в унитаз.
Получается, энергия, высвобождаемая при сгорании пищи в калориметре, всегда будет выше той, что получит организм при переваривании этой же пищи? Насколько велика эта погрешность и не компрометирует ли она подсчет калорий в целом?
Сомнения и скептицизм в этом вопросе не новы и насчитывают уже более ста лет. На границе 19ого и 21ого веков этой темой вплотную занимались американский химик Уилбур Олин Атвотер и немецкий физиолог Макс Рубнер [31].
В 1885 году, используя калориметр, Рубнер определил, что один грамм жира при сгорании дает 9,3 ккал, а углеводов – 4,1 ккал. Он не делал поправки на потери метаболитов данных нутриентов с мочой и калом и неверно предположил, что столько же калорий получает из них и организм. С белком же он, однако, такой ошибки не допустил.
Рубнер знал, что метаболизм белка в организме человека не идёт дальше креатинина, мочевины и прочих азотистых продуктов обмена, которые выводятся во внешнюю среду. Эти продукты обмена всё еще несут энергию, которая недоступна человеку, но может быть выделена в калориметре. Значит, грамм белка в калориметре даст энергии больше, чем получит от него организм, решил Рубнер. Экспериментально он обнаружил, что грамм белка в калориметре даёт ~ 4,3 ккал, а в организме человека ~4,1 ккал.
В 1906 Атвотер продолжил заданное Рубнером направление и решил разработать некие коэффициенты, с помощью которых можно было бы сопоставлять фактическую энергию в продуктах с той, что способен получить из них человек. Трое добровольцев питались предлагаемой им едой, которая была предварительно досконально изучена на предмет энергетической ценности и состава. Мочу и кал, получаемые при переваривании указанной пищи отправляли в калориметр, чтобы узнать, сколько непереработанной энергии вышло наружу. По результатам исследования Атвотер, как и планировал, вывел коэффициенты учета потерянной энергии, которыми мы пользуемся и сегодня [24]:
С тех пор калорийность всех продуктов приводится уже с учетом так называемого фактора Атвотера, т.е. с учетом потерь энергии на этапе метаболизма. Если умножить количество БЖУ с этикетки на количество калорий, получаемых организмом с поправкой Атвотера, должна получиться калорийность, указанная на этой же этикетке. Чтобы в этом убедиться, я взял творог и питьевой йогурт из холодильника, а ты можешь проверить на других доступных под рукой продуктах.
Короче. Да, организм – это не «кислородная печка» и сжигает продукты внутри себя не так эффективно, как калориметр. Да, человек получает из продуктов меньше калорий, чем в них есть на самом деле. Но эта погрешность уже учтена в информации об энергетической ценности продуктов и не влияет на корректность подсчета калорий.
Все калории одинаковы. Практика.
В первой части статьи мы рассмотрели несколько научных работ, показывающих, что калории могут быть «разными». В этих работах изменения массы тела происходили благодаря изменениям в составе рациона, но не в его калорийности.
Нельзя не отметить, что, во-первых, на каждое такое исследование можно написать критическую статью с подробным разбором дыр в дизайне и проблем с выборкой. А во-вторых, за всей этой модной суетой с подбором единственно верного соотношения нутриентов, на задний план отодвигается главное — все приведенные исследования уже являются демонстрацией работы первого принципа термодинамики.
Даже в тех исследованиях, что демонстрируют преимущества учета нутриентов над учетом калорий, даже в тех исследованиях, после которых мы ставили подсчету калорий минус, во всех них потеря веса ВСЕГДА достигалась на фоне дефицита калорий, а набор массы – на фоне их избытка.
Ученые могут сравнивать самые разные соотношения нутриентов, делать заключения о преимуществах того или иного подхода, и показывать впечатляющие результаты, но во всех работах испытуемым из групп потери веса назначается диета с дефицитом калорий. Их диета может быть кето-подобной или низкожировой или высокобелковой или какой угодно, но она всегда будет содержать калорий меньше нормы потребления для данного испытуемого. Никто не ждёт снижения массы тела на изо- или гиперкалорийной диете.
На фоне сформированного и длительно существующего дефицита поступления энергии в конечном итоге всегда происходит потеря веса. Работ на эту тему – буквально – тысячи, и с каждым годом их количество растет по экспоненте, в последнее время достигая нескольких сотен в год [32]:
Но я хочу обратить твое внимание всего на одно невероятно простое и настолько же наглядное исследование.
С 2004 по 2006 год три научно-исследовательских центра США совместно учувствовали в проекте с говорящим названием CALERIE (Comprehensive Assessment of the Long-term Effect of Reducing Intake of Energy) – всесторонняя оценка эффектов длительного дефицита поступающей энергии. Или, проще говоря, они решили посмотреть, как влияет длительный дефицит энергии на вес тела (и кучу других вещей, которые нам сейчас не интересны) [33, 34, 35].
В исследование были включены люди с избытком массы тела, но без ожирения (ИМТ = 25-30), их случайным образом распихали по 4 группам. 1 – питалась с нулевым балансом, то есть люди ели ровно столько, сколько им было нужно (группа контроля – «контроль»). 2 группа получала диету с дефицитом калорий в 25% (группа дефицита калорий — «ДК»). 3 группа питалась с дефицитом калорий 12,5% + выполняла физическую нагрузку, рассчитанную индивидуально таким образом, чтобы формировать еще 12,5% дефицита калорий (группа дефицита калорий + физические упражнения — «ДК+ФУ»). 4 группе не повезло больше всех: в ней мученики науки получали по 890 ккал в день до тех пор, пока не потеряют надежду 15% массы тела, затем осуществлялся переход на поддерживающую диету (группа большого дефицита калорий — «бол.ДК») [34].
Через шесть месяцев испытаний потери массы тела в группах были следующими: -1% от исходной массы в группе контроля, -10,4% в группе с дефицитом калорий; -10,0% в группе с дефицитом и упражнениями; -13,9% в группе с крайне низким поступлением энергии. Предлагаю ознакомиться с графиком:
Очень показательная картинка. В принципе, её одной достаточно, чтобы продемонстрировать зависимость динамики веса от наличия дефицита калорий.
Первая группа (черные ромбики) все шесть месяцев пребывала в нулевом энергетическом балансе, то есть получала ровно столько энергии, сколько тратила. На фоне Эб=0 динамика веса в этой группе также находилась около нуля, никаких достоверных изменений не произошло (-1% не считается).
Вторая и третья группы (черные треугольники и квадраты) сразу после начала испытаний стали показывать устойчивое плавное снижение веса, что было обусловлено дефицитом энергии, ведь обе группы имели отрицательный энергетический баланс. Обрати внимание вот на что. В группе ДК дефицит калорий был равен 25%, а в группе ДК+ФУ в два раза меньше – 12,5%, но в последней присутствовала физическая активность, на которую расходовалось еще 12,5% суточной энергии. То есть общий дневной дефицит энергии в этих двух группах, хоть и создавался по-разному, но был одинаков и составлял 25% (Эб-25%). Мы видим, что эти группы ведут себя на графике очень похоже, двигаются бок о бок, а к концу исследования разница между ними и вовсе пропадает. Отсюда очень важное наблюдение: если есть дефицит энергии — будет потеря массы тела, причем с соблюдением прямой зависимости, и не важно, как этот дефицит был создан – диетой или физнагрузкой. Наглядное доказательство работы первого закона термодинамики.
График последней группы испытуемых, потреблявших антигуманные 890 ккал (белые квадратики), тоже многое нам говорит. Сразу после начала испытания график этой группы резко падает вниз, показывая наибольшую потерю веса (Эб меньше 0). Это подтверждает найденную ранее взаимосвязь: вес снижается тем быстрее, чем больше дефицит энергии. Согласно дизайну исследования, по достижению потери 15% от исходной массы тела, испытуемые этой группы переводились на поддерживающую диету, где поступление энергии было равно расходам (Эб=0). Этот момент отмечен на графике красной стрелкой. Как только суточный баланс энергии стал равен нулю, падение графика остановилось — вес перестал снижаться и остался на достигнутой цифре до конца исследования.
Можно сколько угодно вертеться и юлить, ставить всё более изощренные эксперименты, придумывать сотни новых теорий и открывать «гормоны ожирения» хоть каждый день, менять местами нутриенты или вовсе исключать некоторые из них из рациона. Всё это даст повод заработать неплохие деньги вчерашним ПТУшникам и прочим инструкторАм, но это не отменит работу фундаментальных законов физики, так же как с изобретением самолета не перестал работать закон всемирного тяготения. И для того чтобы жирному перестать быть жирным, как и сто, как и миллион лет назад, ему нужно в первую очередь создать дефицит калорий — перестать жрать. Это доказано.
Зачем нужен подсчет калорий?
Ну хорошо, дефицит поступления энергии неизменно приводит к потери веса. Ок, допустим.
«Но зачем считать калории?, — спросишь ты. — Буду просто меньше есть, от хлеба откажусь там, от макарон..»
Проблема в том, что люди не умеют давать объективную оценку съеденному за день. То есть, вот их спрашивают: «Как вы считаете, сколько калорий вы сегодня съели?» Они отвечают, «ну где-то тыщи две, я думаю», а на самом деле 2600 ккал. Реально. Таких исследований — вагон. Про это можно отдельный пост накатать, но я и так уже перехожу все границы разумного.
В 2014 специалисты Оксфорда и Кембриджа совместно провели метаанализ тридцати семи (37) независимых исследований, в которых принимало участие в общей сложности 16000 человек. Во всех этих исследованиях испытуемые худели с применением разных техник и по разным программам. Задачей данного метаанализа стало установить, какой из методов и приемов оказывает наибольший вклад в потерю веса. Другими словами, хотели посмотреть, что будет эффективнее: посещение групповых и/или индивидуальных занятий, ведение пищевого дневника, консультации диетолога в группе или лично, самостоятельный подсчет калорий, контроль за выполнением предписанных физических нагрузок (приставляли надсмотрщика), контакт и поддержка ближайшего окружения и еще десяток факторов. Ты, наверное, догадываешься, что было эффективнее всего? Просто переведу один абзац из оригинальной статьи.
«Программы с бОльшей продолжительностью, а также те, в которых испытуемые вели подсчет калорий, достоверно ассоциированы с бОльшей потерей веса. Подсчет калорий продемонстрировал наиболее сильную зависимость с потерей веса, независимо от: длительности испытаний, модели программы, количества и длительности консультаций с диетологом. Из всех проанализированных факторов ассоциация с потерей веса в течение 12 месяцев оставалась достоверной у подсчета калорий (-3,3 кг) и вовлечения диетолога (-1,5 кг)» [36].
Анализ данных показал, что одно только добавление подсчета калорий в программу похудения увеличивало потерю веса испытуемых в среднем на 3 кг, что в два раза больше, чем работа с диетологом.
Заключение.
1. Экспериментально доказано, что изменения веса возможны только при изменении энергетического баланса. При создании дефицита энергии, организм добывает её из запасенной ткани — вес снижается. При избытке поступления энергии, организм откладывает её в виде ткани — вес увеличивается. Для контроля за движением энергетического баланса и, следовательно, веса, предлагается вести учет калорий.
2. Метод подсчета калорий имеет ряд недостатков, которые не позволяют ему со стопроцентной точностью говорить о состоянии энергетического баланса конкретного человека и стопроцентно точно прогнозировать изменения его веса.
3. Помимо калорийности рациона, существуют другие факторы, которые влияют на динамику веса тела, такие, как соотношение нутриентов в рационе, водно-электролитный баланс человека и прочие. Их роль до конца не изучена.
4. Не смотря на наличие указанных проблем, методика подсчета калорий продемонстрировала свою эффективность в клинических испытаниях.
Люди худеют не потому, что считают калории. Сам по себе метод подсчета калорий не является причиной похудения. Люди худеют потому, что в их организме был создан и длительно удерживался дефицит энергии. Можно ли худеть без подсчета калорий? Да, можно. Но без создания дефицита энергии похудеть нельзя.
К учету калорийности рациона всегда были и будут претензии, ты видишь, что победа далась ему нелегко. Подсчет калорий — это всего лишь инструмент. Простой, наглядный, доказавший свою эффективность инструмент, с помощью которого создается решающий дефицит энергии.
Итак, имеет ли смысл считать калории, если у вас проблемы с весом? Да, имеет.
Источники:
1. Калория – статья Википедии
2. Международный документ «Узаконенные единицы измерений»
3. Постановление об утверждении положения о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации
4. Первое начало термодинамики – статья Вики
5. Energy balance and its components: implications for body weight regulation. The American Journal of Clinical Nutrition (AJCN), 2012
6. Energy Balance and Obesity. Circulation, 2012
7. Thermodynamics – wikiquote.
8. Термодинамика в мышлении Эйнштейна. Эйнштейновский сборник 1978-1979. М.: Наука, 1983
9. Basal metabolic rate – статья Вики
11. Measuring the thermic effect of food. AJCN, 1996
12. Cellularity of obese and nonobese human adipose tissue. Federation proceedings, 1970
13. Diet induced thermogenesis. Review. Nutrition and Metabolism (NM), 2004
14. De novo lipogenesis during controlled overfeeding with sucrose or glucose in lean and obese women. AJCN, 2001
15. Macronutrient disposal during controlled overfeeding with glucose, fructose, sucrose, or fat in lean and obese women. AJCN 2000
16. Effect of dietary protein content on weight gain, energy expenditure, and body composition during overeating. A randomized controlled trial. Journal of the American Medical Association (JAMA). 2012
18. Is a calorie really a calorie? Metabolic advantage of low-carbohydrate diets. Journal of the international society of sports nutrition. 2004
19. Loss of weight, sodium and water in obese persons consuming a high- or low-carbohydrate diet. Annals of nutrition and metabolism, 1981
20. Второе начало термодинамики – статья из Википедии.
21. A low-carbohydrate as compared with a low-fat diet in severe obesity. The New England Journal of Medicine, 2003
23. The effects of high protein diets on thermogenesis, satiety and weight loss: a critical review. The Journal of the American College of Nutrition, 2004
24. Is a calorie a calorie? AJCN 2004
25. Nutrient Utilization in Humans: Metabolism Pathways. Nature Education 2010
26. Memoir on Heat. Read to the Royal Academy of Sciences on 28 June 1783. A-L Lavoisier, PS DeLaplace
27. Life as a combustion process. In: Kleiber M, ed. The fire of life: an introduction to animal energetics. New York: Wiley and Sons, Inc, 1961
28. Overview of metabolism — Khan Academy
29. Метан — статья Вики
30. Картинка отсюда
31. Assessment of the energy value of human foods. Cambridge University Press, 1955.
32. Caloric restriction in humans: impact on physiological, psychological, and behavioral outcomes. Antioxidants and Redox Signaling. 2011
33. Long-term effects of 2 energy-restricted diets differing in glycemic load on dietary adherence, body composition, and metabolism in CALERIE: a 1-y randomized controlled trial. American Society for Clinical Nutrition. 2007
35. One year of caloric restriction in humans: feasibility and effects on body composition and abdominal adipose tissue. The journals of gerontology. 2006
36. Effect of behavioural techniques and delivery mode on effectiveness of weight management: systematic review, meta-analysis and meta-regression. Obesity Reviews. 2014
