Желудочно-кишечный тракт

Если так подумать, то мы, люди, как и любое другое животное с отчетливым ртом и задницей, на самом деле просто сложные трубки. И эта трубка – желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), который проходит от рта к желудку, а затем через тонкий и толстый кишечник к анусу. Это перерабатывающий завод для переваривания пищи и превращения ее в питательные вещества, как мы обсуждали в Главе 2. Желудочно-кишечный тракт человека весит около 1,1 кг и сжигает 12 ккал в час, и это только в состоянии покоя на пустой желудок. Процесс пищеварения затрачивает гораздо больше энергии – около 10 % от ежедневных потребляемых калорий, или 250–300 ккал в день для обычного взрослого человека. Неясно, сколько энергии, расходуемой кишечником, приходится на триллионы бактерий, трудящихся в нашей микробиоте. Недавнее исследование на мышах, проведенное Сарой Бар, Джоном Кирби и его коллегами, предполагает, что калории, сжигаемые микробиотой, могут составлять до 16 % СОО у людей, что означает, что расход энергии ЖКТ в состоянии покоя (около 12 ккал в час) почти полностью относится к кишечным бактериям. Необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, верна ли эта оценка, но она дает некоторое представление о ежедневном количестве энергии, затрачиваемой нашими друзьями-бактериями.

Мозг

Мозг и печень разделяют титул самого энергозатратного органа. Первый весит от 1 до 2 кг, но сжигает около 300 ккал в день, что составляет 20 % от СОО. Именно по причине таких высоких затрат большой мозг так редко встречается у животных. Только в редких случаях эволюция предпочитает направлять тонны энергии в большой мозг вместо непосредственно выживания и размножения. Кроме того, мозг – это самая настоящая примадонна, которая требует особого обращения. Он работает почти полностью на глюкозе (но может сжечь кетоны в крайнем случае). Нейроны, клетки серого вещества, которые отвечают за мышление и контроль всех систем организма, посылая и получая сигналы, мало занимаются мозгом. Вместо этого глиальные клетки (белое вещество), которые превосходят нейроны по количеству почти в 10 раз, выполняют большую часть вспомогательной работы, обеспечивая питательными веществами и выводя отходы.

Большая часть работы, которую выполняет мозг, лежит полностью вне нашего сознательного опыта. Этот орган непрерывно занят отправкой и получением сигналов для регулирования и координации всех аспектов жизни, от температуры тела до размножения. Мышление составляет ничтожную долю его задач, и, следовательно, затраты на него невелики. Исследования, измеряющие расход энергии до и во время умственной деятельности, обнаружили лишь незначительное влияние на обмен веществ. Когда опытный шахматист играет с превосходящим противником (компьютерной программой) и занят сложной мыслительной задачей, скорость его метаболизма увеличивается всего лишь на 4 ккал в час, что эквивалентно энергии одного драже M&M’s.

В то время как мыслительный процесс не очень энергозатратный, обучение, наоборот, обходится «дороже». Нейроны с их извилистыми дендритами и аксонами, вытянутыми подобно ветвям дерева, образуют связи (называемые синапсами) с другими клетками, чтобы создать новые нейронные сети. Мозг формирует, укрепляет и сокращает синапсы на протяжении всей жизни (это происходит прямо сейчас, когда вы формируете новые воспоминания при прочтении этой книги). Однако самый активный период – это детство, когда мы как губки впитываем всю новую информацию об окружающем мире. Работа Кристофера Кузавы и его коллег показала, что у детей в возрасте от трех до семи лет на мозг приходится более 60 % СОО, что в три раза больше, чем у взрослых. В эти ранние критически важные годы в орган поступает так много энергии, что она фактически замедляет рост остальных частей тела.

За пределами основного обмена

С учетом того, что все органы работают круглыми суткам, неудивительно, что основной обмен составляет большую часть калорий, которые вы сжигаете каждый день. А это около 60 % для большинства из нас. Тем не менее это всего лишь минимальный расход – энергия, затраченная во время отдыха. Конечно, жизнь редко бывает комфортной и спокойной. Мы родились не для того, чтобы целыми днями валяться в постели. Наши тела созданы для того, чтобы вести активный образ жизни, бороться с инфекциями, жарой и холодом, расти и иметь детей.

Терморегуляция

Благодаря эволюции у млекопитающих и птиц теплые тела. Мы сжигаем намного больше энергии каждый день, чем рептилии, рыбы и другие холоднокровные животные, и этот ускоренный обмен веществ позволяет нам расти и размножаться быстрее (см. ниже). Но есть одна загвоздка: сложная метаболическая система химических реакций, которая поддерживает в нас жизнь, должна находиться в узком диапазоне температур. Если температура тела отклоняется от нормы (37 °C) всего на несколько градусов, мы можем умереть.

У всех птиц и млекопитающих есть своя термонейтральная зона – диапазон температур окружающей среды, в которой температура тела поддерживается без каких-либо усилий. Для людей она находится примерно между 24 °C и 34 °C. Если вам кажется, что это много, то только потому, что вы, вероятно, не очень часто ходите обнаженными. В деловой одежде (рубашка на пуговицах, брюки, пиджак) этот показатель понижается и составляет между 18 °C и 24 °C. Наверное, именно такую температуру вы поддерживаете в своем доме. Люди являются мастерами создания комфортной микросреды рядом с кожей, используя одежду. Наша естественная теплоизоляция, жир, также может сдвинуть термонейтральную зону. Для взрослых, страдающих ожирением, этот диапазон на пару градусов ниже, чем у людей без избыточного веса. Когда мы замерзаем, у тела есть два способа генерировать больше тепла. Во-первых, можно сжигать особый тип жира, называемый бурым, который составляет крошечную долю жира в теле. Он создает тепло, изменяя систему переноса электронов в своих митохондриях: протоны, изолированные в межмембранном пространстве, могут просачиваться обратно через мембрану, не производя АТФ. Энергия, которая была бы захвачена в АТФ, выделяется в виде тепла. У людей в Арктике, как правило, примерно на 10 % более высокая скорость основного обмена, чем у тех, кто живет в теплом климате, что, вероятно, частично связано с активностью бурого жира. Второй способ получения тепла – это дрожание, которое является просто непроизвольным сокращением мышц. Несильные воздействия, такие как пребывание в шортах и футболке в комнате с температурой 18 °C, могут ускорить метаболизм на 25 % в сравнении с обычным показателем СОО (это дополнительные 16 ккал в час для большинства из нас). При сильном холоде дрожь может привести к тому, что обмен веществ в состоянии покоя ускорится в три раза, а это гораздо больший эффект, чем при сжигании бурого жира.

Метаболическая система химических реакций в организме человека очень сложна и должна находиться в узком диапазоне температур.

Перегревание также может привести к летальному исходу. Люди эволюционировали, чтобы справиться с жарой, став самыми потными животными на планете. Однако энергетические затраты на потоотделение не были тщательно измерены. Скорее всего, они очень маленькие. Главное при борьбе с жарой, по-видимому, – поддерживать оптимальный уровень жидкости в организме и избегать теплового удара.

Иммунная функция

Как ясно показала всем нам пандемия COVID-19, мир полон опасных патогенов. Но легкий доступ к эффективной медицинской помощи – один из триумфов цивилизации – привел к своего рода культурной амнезии. Мы склонны забывать, насколько страшны инфекционные болезни. В племени хадза 4 из 10 детей умирают от острых инфекций еще до пятнадцатилетия. Такие же мрачные показатели и в других обществах охотников и собирателей. Родители в развитых странах, имеющие наглость отказывать своим детям в лекарствах и вакцинах, должны поговорить с некоторыми матерями хадза.

Наш организм постоянно атакуют бактерии, вирусы и паразиты, которые жаждут попасть внутрь и использовать его как бордель. В грязном органическом мире за пределами наших стен, вдали от сантехники и дезинфекции, болезни неизбежны. У меня есть приятель, который работает в глубоких тропических лесах Индонезии и изучает там орангутангов и гиббонов. Вдохновленный наблюдателями за птицами, ведущими учет всех видов, которые они видели за годы работы, он создал список всех тропических болезней, которыми когда-либо болел. И это перечень совсем не короткий. После возвращения с полевых выездов он неизбежно пропивает курс «Фрагила»^[24], чтобы убить всех микробов, которые заполонили его кишечник. Принимая препарат, нельзя употреблять алкоголь. А это для моего приятеля – самая неприятная часть возвращения из тропических лесов.

Для того, чтобы побороть инфекцию, клетки иммунной системы размножаются и производят широкий спектр молекул. Вся эта метаболическая работа сжигает калории. Исследование двадцати пяти американских студентов, обратившихся в поликлинику, показало, что во время заболевания скорость основного обмена у них была в среднем на 8 % выше, чем обычно. Примечательно, что из эксперимента исключали мужчин, у которых была лихорадка. Повышение температуры тела при борьбе с инфекцией – древняя защитная реакция всех млекопитающих – еще больше увеличивает этот показатель.

Майкл Гурвен и его коллеги, работающие с жителями сельских районов Боливии, измерили ежедневные затраты на иммунную защиту в тех популяциях, у которых нет доступа к антисептическим преимуществам современного мира. Племя цимане живет в маленьких отдаленных деревушках в тропических лесах Амазонки. Они ведут многоукладное хозяйство: охотятся и собирают дикорастущую пищу, а также выращивают бананы, рис, маниок или кукурузу вручную. Некоторые представители племени, которые живут ближе к городам, зарабатывают деньги ручным трудом. Все они постоянно находятся на открытом воздухе в лесу и у реки, взаимодействуют с природным миром и множеством бактерий, вирусов и паразитов, которые так и норовят найти себе хозяина. Неудивительно, что уровень заболеваемости очень высок. Около 70 % населения имеет паразитарную инфекцию (обычно глисты), и количество лейкоцитов (клеток иммунной системы, используемых организмом для борьбы с инфекцией) у них в десять раз больше, чем у взрослых американцев. Вся эта деятельность иммунной системы требует энергии. Скорость основного обмена взрослых членов племени цимане на 250–350 ккал в день выше, чем у представителей промышленно развитых стран.

Чрезмерные энергетические затраты на борьбу с инфекцией могут иметь серьезные последствия для роста детей. Сэм Урлахер, молодой доктор наук в моей лаборатории в Дьюкском университете, на протяжении многих лет работал с детьми племени хиваро, проживающем в Эквадоре. Их повседневность очень похожа на жизнь цимане: охота, собирательство и простое земледелие в тропических лесах Амазонки. В обоих племенах наблюдается высокий уровень заболеваемости. Сэм обнаружил, что у детей от пяти до двенадцати лет скорость основного обмена примерно на 200 ккал в день выше, чем у детей в США и Европе – различие примерно на 20 %. И потребность организма в энергии для борьбы с инфекцией буквально крадет силы, которые иначе пошли бы на рост. Когда иммунная система реагирует на патоген, она производит ряд молекул (иммуноглобулины, антитела и другие белки), которые циркулируют в крови – предательские признаки сражений с бактериями, вирусами и паразитами. Сэм обнаружил, что дети хиваро, у которых к крови было обнаружено большее количество этих маркеров, росли медленнее, чем те, у кого их было меньше. Энергетическая «стоимость» иммунитета, с точки зрения калорий и роста, вероятно, является одной из главных причин того, что представители коренных народов, таких как хиваро, цимане и хадза, как правило, недоразвиты.