Имеет ли смысл считать калории? Плюсы и минусы закона энергетического баланса

Основательный, меткий, понятный текст Артура Миллера со ссылками на 36 авторитетных и научных источников о плюсах, минусах и подводных камнях подсчета калорий.

Подсчет калорий стал краеугольным камнем современной индустрии фитнеса и правильного питания. На протяжении уже почти полувека этот метод контроля веса вызывает бурные споры и подвергается жесткой критике, переживает головокружительные взлеты и падения популярности, неизменно следующие друг за другом.

Многочисленные сторонники метода уперто твердят об его эффективности, ссылаясь на концепцию «потребление-расход», законы термодинамики и свои фотки «до-после». Не менее многочисленные противники призывают отказаться от механического подсчета ничего не отражающих калорий, а вместо этого вести учет потребления углеводов и белков, как нутриентов действительно влияющих на динамику веса. Люди возмущаются: как можно сравнивать работу такого сложного устройства, как человеческое тело и такого примитивного, как калориметр. Также предлагается учитывать гормональный, наследственный, индивидуальный и прочие факторы, и вообще не забывать, что в организме человека «не все так просто».

К подсчету калорий действительно много претензий, и почти все они имеют под собой основания. Я попытаюсь критически и беспристрастно ответить на вопрос: имеет ли смысл нам, простым обывателям с проблемным весом, ориентироваться на подсчет калорий, и насколько этот метод может быть реально эффективен в повседневной жизни.

Каждое утверждение, которое прозвучит ниже, я буду подкреплять , сам список источников – в конце текста.

По ходу дискуссии, чтобы понимать, на чьей стороне перевес, и просто ради прикола наглядности будем присуждать очки той или иной стороне, не нужно относиться к этому счету слишком серьезно. Пока счет 0 – 0.

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.

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 .

В отношение человека, взаимодействия между поступающей и расходуемой энергией могут быть схематично записаны так :

 

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.

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.

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 .

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 (под лого Зожника – метод подсчета ккал происходит по этой формуле). 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.

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 .

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.

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 . 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 .

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?

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.

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 вещь.

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}.

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.

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?

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» .

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.

Итак, мы узнали, что энергия, получаемая при сгорании продуктов в калориметре = энергия, получаемая нашим телом при их переработке.

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.

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 19-го и 21-го 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.

Выше в статье 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) .

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 15% массы тела, затем осуществлялся переход на поддерживающую диету (группа большого дефицита калорий — «бол.ДК») {34}.

Через 6 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 6 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.

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 37 независимых исследований, в которых принимало участие в общей сложности 16 тысяч 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 похуденияувеличивало 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, 2

 

Научные 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

10. Factors influencing variation in basal metabolic rate include fat-free mass, fat mass, age, and circulating thyroxine but not sex, circulating leptin, or triiodothyronine. AJCN, 2005

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

17. Effects of 4 weight-loss diets differing in fat, protein, and carbohydrate on fat mass, lean mass, visceral adipose tissue, and hepatic fat: results from the POUNDS LOST trial. TAJCN, 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

22. Comparison of energy-restricted very low-carbohydrate and low-fat diets on weight loss and body composition in overweight men and women. NM, 2004

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

34. Effect of 6-month calorie restriction on biomarkers of longevity, metabolic adaptation, and oxidative stress in overweight individuals: a randomized controlled trial. JAMA. 2006

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