Действительно, калория (кал), как единица количества теплоты, не входит ни в одну существующую систему мер. В Международной системе единиц (СИ) существует другая системная единица измерения теплоты, она называется джоуль (Дж). 1 кал = 4,1868 Дж [1].
Как нам справедливо указал эксперт, калория определяется, как количество теплоты, необходимое для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия при атмосферном давлении в 1 амтосферу. Однако, поскольку теплоёмкость воды зависит от температуры, то и размер определяемой таким образом калории зависит от условий нагревания. В связи с этим существует аж три различных вида калории, правда разница между ними — в сотых долях джоуля.
Учитывая данный нюанс, в международном документе «Узаконенные единицы измерений» Международная организация законодательной метрологии призывает «изъять [калорию] из обращения как можно скорее там, где она используется в настоящее время» [2].
За внесистемность и расплывчатость формулировки этой единицы теплоты, подсчет калорий получает первый пробный минус.
С другой стороны, в Российской Федерации калория допущена к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «промышленность», о чем говорится в «Постановлении РФ о единицах величин» [3].
Калория применяется при оценке энергетической ценности («калорийности») пищевых продуктов. Обычно энергетическая ценность указывается в килокалориях (ккал), то есть в тысячах калорий. Например, сто грамм гречки содержат около 330 тысяч калорий или 330 килокалорий (ккал). В обиходе приставку «кило-» чаще всего не употребляют, ради удобства сокращая «килокалорию» до «калории».
Очевидно, что законодательный запрет на применение калории никак не повлияет на то количество теплоты, которое она отражает. Другими словами, 100 гр шоколада при сжигании в калориметре будут выделять то же количество тепла, что и прежде, просто оно будет выражаться не в ккал, а в Дж. От перехода на джоули шоколад не станет менее энергетически ценен, чем морковка, к сожалению. Для потребителя не изменится ровным счетом ничего.
Кстати, метрологи предлагают изъять калорию вместе с десятком повседневно используемых в быту единиц, среди которых: атмосфера (давление), лошадиная сила (мощность) и центнер (масса) [2].
Почему-то никого не смущает, например, расчет транспортного налога с применением внесистемных лошадиных сил. И я бы посмотрел на лицо мастера СТО, если бы его попросили накачать колесо не в атмосферах, а паскалях, мол, атмосфера же внесистемная единица, вы чо не в курсе, ей пользоваться уже не модно. Понятно, что даже если бы его и накачали в паскалях, фактическое давление воздуха в колесе было бы совершенно таким же, что и при применении атмосфер.
Подсчет калорий отыгрывает очко.
При чем тут термодинамика?
Все процессы, протекающие в человеческом организме, как и во всех других объектах во Вселенной, подчиняются законам физики, в том числе и первому закону термодинамики, который гласит, что энергия может переходить из одного вида в другой, но не может быть ни создана из ничего, ни уничтожена [4]. Традиционно это является основным доводом в пользу подсчета калорий.
То есть энергия, поступающая внутрь человека, не может исчезнуть без следа, она должна либо расходоваться на выполнение некой работы, либо запасаться в виде ткани. Следовательно, масса тела может измениться в ту или иную сторону только в том случае, если за определенное время поступило и было потрачено разное количество энергии [5, 6].
Эйнштейн сказал о термодинамике:
«..глубокое впечатление, которое произвела на меня классическая термодинамика. Это единственная теория, относительно которой я убежден, что она никогда не будет опровергнута» [7,8].
В отношение человека, взаимодействия между поступающей и расходуемой энергией могут быть схематично записаны так [5, 6]:
Энергетический баланс (Эб) = Энергия, которая поступила (Эп) – Энергия, которая была расходована (Эр)
или
Эб = Эп — Эр
Энергетический баланс или энергия «в запасе» (Эб) это некий остаток энергии после того, как из размера поступившей энергии (Эп) был вычтен размер потраченной (Эр). Эб может приобретать отрицательные значения, если было потрачено больше энергии, чем поступило.
Разберем подробнее все три компонента этой формулы.
Откуда энергия появляется (Эп)
Единственный доступный человеку источник энергии – это пища, которая состоит из трех групп макронутриентов (далее — нутриенты): белков, жиров и углеводов. Отдельным источником энергии выделяют алкоголь, который нутриентом не является [24].
Пищеварительный тракт человека устроен таким образом, что поступающая пища обычно переваривается не полностью, и какая-то часть нутриентов выходит с фекалиями в непереваренном виде. Потери энергии этим путем у разных людей могут быть разными и обычно составляют 2-10% от общего числа поступившей энергии [5]. Эта цифра будет зависеть от степени и способа приготовления пищи, от того, насколько тщательно человек жует, насколько эффективно работают его пищеварительные ферменты и пр. Предсказать количество калорий, ушедших в унитаз у конкретного индивидуума, невозможно. Подсчет калорий получает за этот пункт минус.
Далее. Те нутриенты, что всё же были усвоены, являются прямыми поставщиками энергии в следующих количествах [25]:
1 грамм белка даёт при распаде 4 ккал
1 грамм углеводов – 4 ккал
1 грамм жиров – 9 ккал
1 грамм алкоголя – 7 ккал
Эти четыре источника поступления энергии составляют Эп из нашей формулы.
Куда энергия расходуется (Эр)
После того, как пища переварилась и нутриенты усвоились, они подвергаются распаду с получением энергии, которая либо используется организмом для выполнения разного рода задач, либо запасается.
Существует три основных статьи расхода энергии человеком:
1. Расходы на поддержание жизни — основной метаболизм (расход энергии в покое или базовая скорость метаболизма)
2. Расходы на пищеварение (специфическое динамическое действие пищи)
3. Расходы на физическую активность
Расход энергии в покое или базовая скорость метаболизма является основной статьей расходов и составляет примерно 60-75% от всех энергозатрат. Базовая скорость метаболизма – это количество энергии, которое необходимо потратить человеку для поддержания жизни и функционирования в покое – чтобы лежать на диване и ничего не делать, например. Это энергия, которая тратится на дыхание, кровообращение, поддержание температуры тела, рост и регенерацию клеток, работу гладкой мускулатуры внутренних органов [9].
Количество энергии, расходуемой в покое, или скорость метаболизма в покое отличается у разных людей и, в первую очередь, зависит от «сухой» массы тела (масса тела минус жировая ткань): чем больше у человека «сухая» масса тела, тем выше его скорость метаболизма в покое. Это связано с тем, что основную часть «сухой» массы составляет мышечная ткань, которая очень энергозатратна. Также некоторое влияние оказывают вес жировой ткани и возраст [10].
Расходы на пищеварение или специфическое динамическое действие пищи (СДДП), также известное, как термический эффект пищи – количество энергии, расходуемое на переваривание поступившей пищи. Это вторая по величине статья энергетических расходов, по разным данным составляет 5-15% от всей расходуемой энергии [11, 13].
Разные нутриенты требуют разного количества энергии для своего переваривания и усвоения: алкоголь и белки требуют больше энергии, чем углеводы, которые требуют больше энергии, чем жиры (при условии, что мы взяли их количества с равной калорической ценностью) [5]. Таким образом, состав рациона, и преобладание в нем тех или иных нутриентов могут влиять на размер СДДП.
Расходы энергии на физическую активность – это энергия, расходуемая на выполнение умственной, физической работы, занятие спортом и т.д.
Для расчета количества необходимых калорий в сутки применяются несколько формул, наиболее популярная из них — формула Mifflin St. Jeor. Она выглядит так:
В этой формуле учитывается вес — он обозначен буквой m, рост — h, возраст — a, пол — s = 5, если это мужчина и -161, если женщина. Не заморачивайся, всё это уже давно считают калькуляторы в приложениях подсчета калорий.
Так вот, из этой формулы видно, что она не учитывает ни «сухую» масса тела, ни СДДП, которое может меняться в зависимости от состава рациона [9]. Следовательно, используя данную формулу, невозможно точно предсказать, сколько калорий потребуется для покрытия расходов на базовый метаболизм, а это является отправной точкой метода подсчета калорий. Еще один минус ему.
Как энергия запасается (Эб)
Допустим, суточное потребление энергии у Пети равно 2000 ккал. К 23:00 он уже потратил 1200 ккал на свои базовые нужды, 300 ккал — потратил на переваривание пищи и еще 500 ккал — на физическую активность. А съел он за сутки 2200 ккал, что на 200 ккал больше его нормы. Что будет с этими калориями дальше?
Человек не способен избавиться от этих излишков ни с помощью излучения энергии в виде света, ни тепловым излучением, значительно увеличив температуру тела. Единственный доступный способ утилизировать излишек – потратить его на некую физическую активность, на выполнение работы. Если такая работа не совершается, то организму ничего не остается, как запасать излишки поступающей энергии [4, 5, 6].
Миллионы лет эволюции и миллиарды голодных смертей отточили до совершенства нашу способность откладывать в резерв каждую каплю поступающей энергии. Каждая наша клеточка настроена на бережливую, запасливую работу в условиях постоянного дефицита еды.
Сегодня была удачная охота: хромая, ты пробежал по саванне всего 8 км (против обычных 20ти) и даже смог урвать кусок антилопы, которую к твоему появлению уже разорвали другие охотники. Ты видишь: небо на краю темно, будут дожди, другая охота не скоро, возможно, только на следующей луне. Неизвестно, сможешь ли ты бегать к этому времени: рана на левой ноге уже пахнет. Если племя не поможет, до следующей охоты ты можешь не дожить.
В таком режиме работают наши организмы. Вперед шагнул только технический прогресс — для этого понадобилось меньше двух веков. По меркам эволюции — мгновенье, наши тела всё еще живут в пещерном веке. Наши тела не знают, что мясо можно купить в магазине и для этого надо пройти сто метров, а съев одну шоколадку можно за 10 минут получить энергии больше, чем за день получал лучший охотник племени.
Наше тело ведет себя, как умирающий с голода пещерный человек, случайно запертый на ночь в супермаркете. Поглощается всё, до чего дотягивается рука, жадно запасется каждая капля.
Основной «банк» энергии в организме представлен жировой тканью — именно в виде жировой ткани запасается 60-80% избытка поступающей энергии [14,15,16]. У взрослого с нормальным индексом массы тела насчитывается около 35 миллиардов жировых клеток – адипоцитов – каждая из этих клеток содержит в себе около 0,4-0,6 мкг триглицеридов (жиров), что в сумме составляет 130000 ккал (или 130 млн. калорий) запасенной энергии. У людей, страдающих ожирением, число адипоцитов может достигать 140 млрд., каждый из которых содержит по 0,8-1,2 мкг жиров, что составляет около 1 триллиона калорий запасенной энергии [5,12].
Триглецириды (жир) практически не связывают воду, то есть не имеют значимого влияния на водный баланс. При чем тут вода — скажу чуть ниже, а пока проверим, можно ли сделать так, чтобы при переедании откладывался не жир, а что-нибудь полезное и красивое, типа упругая попа или стальные бицепсы.
Для этого в 2000 году в Кембридже в испытания включили три группы женщин. В 1ой и 2ой группах суточное поступление энергии увеличили на 50% выше расчетной нормы (Эб+50%). Но в первой группе (назовем их группой жира) поступление увеличивали за счет добавления жиров, а во второй за счет углеводов (группа сахаров). Третья группа – контрольная, в ней испытуемые получали ровно столько энергии в сутки, сколько им было положено (Эб = 0).
В первый день испытаний в группе сахаров отмечалось увеличение количества гликогена примерно на 100 гр по сравнению с группой жира, но к четвертым суткам содержание гликогена между группами уровнялось. К концу исследования лишь 12% лишней энергии было запасено в виде гликогена и 88% — в виде жировой ткани, причем, что в первой, что во второй группе. То есть одни ели много жиров, другие – много углеводов, но у всех отложился жир. В контрольной группе прибавки веса испытуемых не произошло [15].
Ну ладно, избыток углеводов в рационе приводит к отложению жира, это ожидаемо. Но что если переедать за счет белка?
В период с 2005 по 2007 годы 4 научно-исследовательских центра питания США совместно провели крутое рандомизированное исследование на эту тему. Наблюдали 25 человек с нормальным индексом массы тела. В течение первых трех недель всех испытуемых кормили стабилизирующей вес диетой без избытка или недостатка энергии (Эб = 0) с такими пропорциями: 15% энергии из белков, 25% из жиров и 60% из углеводов. Затем, на протяжение ещё восьми недель они питались с 40% избытком энергии (Эб+40%). Было сформировано три группы: с низким (6%), нормальным (15%) и высоким (25%) содержанием белка. К концу исследования масса жировой ткани увеличилась у всех испытуемых. Доля её составляла 50-90% от полученной лишней энергии, независимо от типа диеты. На графике видно, что увеличения поступления белка достоверно не влияет на массу жировой ткани [16].
Показательно, что если при избытке энергии, 60-80% от её общего числа откладывается в виде жира, то и при недостатке энергия будет черпаться из жировой ткани и примерно в том же соотношении, причем независимо от содержания рациона [6].
В 2012 году в США в течение 6 месяцев наблюдались 811 человек, которые были поделены на 4 группы с разными рационами питания. 1 — низкий жир, средний белок (15% Б, 20% Ж, 65% У), 2 — низкий жир, высокий белок (25% Б, 20% Ж, 55% У), 3 – высокий жир, средний белок (15% Б, 40% Ж, 45% У), 4 — высокий жир, высокий белок (25% Б, 40% Ж, 35% У). При этом калорийность всех четырех рационов держалась в одинаковом дефиците (Эб в среднем -750 ккал/день). В результате все испытуемые теряли примерно одинаковое количество жировой ткани, независимо от типа диеты, это хорошо видно на графике [17]:
Таким образом, превышение поступления энергии приводит к увеличению массы тела, и в основном это происходит за счет жировой ткани, независимо от типа диеты. В то время, как снижение поступления энергии приводит ровно к обратному — потере жировой ткани в тех же пропорциях. Решает калорийность рациона, а не его состав. Плюс подсчету калорий.
Гликоген. Итак, основной способ запасать лишнюю энергию – откладывать жир. Меньшая часть энергии запасается в виде углеводов.
Для того, чтобы запасать углеводы, организм умеет синтезировать специальный полимер, который называется гликоген – это огромная молекула, состоящая из множества соединенных между собой маленьких молекул глюкозы – компактный и удобный способ хранения углеводов. Полимер – это как цепочка тележек в супермаркете, вставленных друг в друга: так они занимают гораздо меньше места, чем когда стоят по отдельности, и всегда можно быстро «отщепить» нужное количество. Так вот, этот гликоген хранится в основном в скелетной мускулатуре и печени, у взрослого человека его обычно немного – всего несколько сотен грамм.
Гликоген имеет очень быстрый оборот. В отличие от жировой ткани, его количество, в зависимости от сиюминутных потребностей в энергии, может значительно меняться несколько раз в течение дня, достигая своего максимума в ближайшее время после приема пищи. Резкие перепады содержания гликогена в организме, а также осмотически активной глюкозы, сопровождаются изменениями водного баланса [18]. Ряд авторов связывают эффективность низкоуглеводных диет (особенно в первые недели), с повышением секреции калия и натрия, а в след за ними – воды, которая и составляет большую часть потерянных килограмм [19].
И совсем уж мизерная часть лишней энергии запасается в виде белков, тоже имеющих небольшое влияние на водный баланс. Так вот, зачем я вообще заговорил про воду?
Дело в том, что сейчас мы вертим в руках не что иное, как первый настоящий камень в огород подсчета калорий. Ведь сторонники этого метода утверждают, что набор определенного количества килограмм всегда связан с набором определенного количества энергии. Но, если учитывать движение воды, то выходит, что количество набранных/потерянных килограмм может быть разным, даже при одинаковом избытке/дефиците калорий? Получается, что «поиграв» количеством нутриентов в рационе, например, увеличив белок и убрав углеводы, можно добиться бОльших изменений веса, употребляя столько же калорий?
Не все калории одинаковы. Физика
Действительно, так ли непоколебимы позиции пресловутого первого закона термодинамики? Как и говорил Эйнштейн, прелесть принципа в его железобетонности, и отменить его не сможет даже самый упрямый толстяк, не желающий считать калории. Но и переложить этот закон на живых людей напрямую не получается.
Строго говоря, первый закон термодинамики работает без поправок только для закрытых систем в равновесном состоянии, то есть таких, которые могут обмениваться с окружающей средой теплом и энергией, но не веществом. Человек же представляет собой открытую систему, т.к. помимо тепла и энергии как раз таки обменивается с окружающей средой веществами [18]. Всё живое на Земле, и человек в том числе, постоянно поглощает питательную среду, пропускает её через множество разнообразных, параллельно идущих химических реакций и выделяет продукты обмена вовне. Энергетический баланс такой системы меняется каждое мгновение.
И тут на сцену выходит второй закон термодинамики – закон возрастания беспорядка (энтропии). У него есть масса соперничающих в своей туманности определений, но смысл в том, что когда между объектами происходит обмен энергией, часть её может «теряться» (обычно в виде тепла) и выходить за пределы открытых систем, увеличивая тем самым энтропию Вселенной [20].
Это звучит очень абстрактно, но для нас главное то, что некоторая доля энергии, оказывается, может куда-то «утекать». В связи с нашей темой возникает конкретный практический вопрос: возможна ли потеря разного количества килограмм массы тела при создании одинакового дефицита поступающей энергии?
Да, это возможно. Такие работы есть. И это не рассказы про «одного моего знакомого», а настоящие исследования с качественным дизайном и серьезной выборкой за спиной, их множество, но я приведу парочку показательных. И работы эти посвящены высокобелковым и/или низкоуглеводным диетам.
1. Диеты с высоким содержанием белка.
Выше мы уже обращались к работе 2005-07 годов, где группы исследователей из 4х НИИ питания США пытались найти зависимость между процентом отложенной жировой ткани и долей белка в рационе. Такой зависимости они не нашли, но обнаружилась другая интересная фигня.
Если помнишь, все испытуемые получали одинаковый избыток энергии, превышающий потребности на 40%, но разное количество белка. Было сформировано три группы, где люди получали 6%, 15% или 25% суточной энергии из белка. В результате постоянного избытка энергии, согласно принципам термодинамики, испытуемые из всех трех групп набрали вес. Но разное его количество. Люди из первой группы, получавшие 6% от Эп из белка набрали в среднем 3,6 кг (1.88-4.44 кг), в то время, как испытуемые из второй (15% Эп из Б) и третьей групп (25% Эп из Б) прибавили 6 кг и 6,5 кг соответственно, что почти в два раза больше. То есть избыток энергии у всех участников был одинаковым, а массу они набрали разную [16].
2. Диеты с низким содержанием углеводов.
А что на счет модных низкоуглеводных диет?
В 2003 в Филадельфии 79 человек с ожирением были разделены на две группы: первая получала диету с низким содержанием жира(низЖ), вторая – с низким содержанием углеводов(низУ), при этом обе группы находились в дефицит энергии. Среднее потребление калорий в группе низЖ составило 1567 ккал/день и 1630 ккал/день — в группе низУ. То есть разница между калорийностью рационов была минимальна — в среднем 57 ккал/день. Не смотря на такую небольшую разницу в потреблении, потери массы тела в группе низких жиров составили всего 1,9 кг, в то время, как в низкоуглеводной группе люди потеряли в среднем 5,8 кг, то есть почти в три раза больше [21].
Еще одно исследование, посвященное эффективности низкоуглеводной диеты, было проведено в 2004 в Коннектикуте. 28 человек с ожирением были разделены на две группы: первая получала диету с очень низким содержанием углеводов – менее 10% от суточной энергии, вторая – диету с низким содержанием жиров в пропорции БЖУ 15%:25%:60%. Все испытуемые, независимо от типа диеты, питались с дефицитом энергии равным 500 ккал/день. Мужчины из группы c низкоуглеводной диетой потеряли достоверно больше массы тела и массы жировой ткани, чем в группе с низкой долей жира в рационе. Результаты у женщин были недостоверны [22].
Посидев один вечер на pubmed’e можно найти еще десяток работ, демонстрирующих эффективность высокобелковых/низкоуглеводных диет. Зачастую они противоречивы, страдают малой выборкой или дефектами дизайна, и к ним всегда можно придраться, но факт остается фактом: многочисленные рабочие группы в разное время и независимо друг от друга подтверждают, что потеря/набор разной массы тела при одинаковом дефиците/профиците калорий возможна. Метод подсчета калорий получает за это мощный пинок под зад. Мы же можем заключиться, что не все калории одинаковы.
Не все калории одинаковы. Физиология
Если обратиться к здравому смыслу, принципам здорового питания и формирования рациона, то одни и те же сто калорий также не всегда могут быть рассмотрены, как одинаковые.
Например, сто калорий, полученных из цельного куска мяса, будут подразумевать, что организм вместе с ними получил несоизмеримо больше питательных веществ, микро- и макроэлементов, необходимых для полноценной жизнедеятельности, чем несут такие же сто калорий, полученные из сахарной ваты. Очевидно, что если мы возьмем двух людей и будем поставлять каждому из них одинаковые 2000 калорий в день, но первого будем кормить исключительно мясом, а второго – исключительно сахарной ватой, то шансы дожить до следующего чемпионата мира по футболу у второго испытуемого стремятся к нулю.
Я взял две крайности, понятно, что в жизни так не бывает. Питаясь исключительно сахарной ватой, человек не будет получать ничего, кроме углеводов, в долгосрочной перспективе он обречен. Но если изменять соотношения между БЖУ в рационе в пределах разумного, возможна ли ситуация, при которой два одинаковых по калорийности рациона будут по-разному влиять на движение веса, самочувствие и общее состояние человека? Другими словами: все ли калории одинаково полезны?
Чтобы достоверно ответить на этот вопрос, специалисты Гарварда провели анализ доступной информации о влиянии доли белка в рационе на скорость потери массы тела, потерю жировой ткани, величину термического действия пищи и чувство насыщения. Они собрали и проанализировали данные сорока восьми независимых рандомизированных контролируемых исследований, в которых приняли участие в общей сложности 1268 человек. Вот что они нашли.
Термическое действие пищи или СДДП (мы уже разбирали этот вид энергозатрат выше) – эту тему изучали 15 исследований. 12 работ показали достоверное увеличение СДДП у высоко-белковых диет по сравнению с низко-белковыми. Три работы демонстрировали увеличение СДДП при приеме пищи, богатой белком, по сравнению с пищей, содержащей больше жиров и углеводов.
Потере веса было посвящено 15 исследований. 7 работ из 15 показали значительно бОльшую потерю веса на диетах с бОльшим содержанием белка при одинаковом количестве поступающей энергии. 8 работ не нашли взаимосвязи между количеством белка в рационе и скоростью потери веса.
Потеря жировой ткани — 10 исследований. Все десять работ продемонстрировали достоверное увеличение потери жировой ткани при увеличении доли белка в рационе.
Насыщение — 14 исследований, одиннадцать из которых обнаружили увеличение субъективного чувства насыщения (сытости) и продолжительности его действия при приеме пищи с большим содержанием белка. Три работы не нашли такой взаимосвязи [23].
Таким образом, возвращаясь к сравнению двух сотен калорий, одной — из куска мяса и второй — из сахарной ваты, можно сказать следующее. Калории из мяса обеспеченны в основном белком, а значит достоверно увеличат термический эффект пищи, чем калории из ваты, следовательно, увеличится суммарное энергопотребление за сутки. Помимо этого, съев кусок мяса, ты будешь сыт дольше, чем если бы ты съел сахарную вату. Также потери жировой ткани и веса в целом будут выражены больше при употреблении мяса, чем сахарной ваты (при поддержании дефицита). И всё это при одинаковой калорийности съеденного.
Получается, одни и те же 100 калорий, в зависимости от того, откуда они пришли, могут иметь разный эффект на динамику веса, твое самочувствие и композицию тела.
Итак, с точки зрения принципов здорового питания, и исходя из результатов клинических исследований, продукты с одинаковой калорийностью могут по-разному влиять на целый ряд факторов = не все калории одинаковы. Смысл их считать?
Фух.. 2-5.
Это было жестко. Не думал, что подсчет калорий так сильно огребёт, но вы сами всё видели - всё по-честному.
Интересно, сможет ли многострадальный метод подтянуть весомые аргументы, чтобы ответить на такую жесткую критику в свой адрес. Выиграет-то он уже вряд ли, но может, хоть сравнять удастся?
Узнаем во второй части статьи, она будет через пару дней. Всем удачи!
