И все это требует энергии. На самом деле, работа и есть энергия. Мы измеряем работу и энергию с помощью одних и тех же единиц и можем говорить о них взаимозаменяемо. Бросьте бейсбольный мяч, и его «кинетическая энергия», когда он покидает вашу руку, по определению точно равна количеству работы, которую вы совершили, чтобы ускорить его. Тепловая – это еще одна распространенная форма энергии. Разогрейте чашку молока в микроволновке для вашего ребенка, и повышение температуры покажет вам, сколько электромагнитной энергии забрала жидкость. Энергия, выделяемая при сжигании бензина, равна сумме работы, проделанной для перемещения автомобиля по дороге, и тепла, выделяемого двигателем. Потребляемая энергия всегда равна сумме проделанной работы и полученного тепла, независимо от того, идет ли речь о вашем теле, автомобиле или смартфоне. Мы все живем по одним законам физики.
Энергия также может храниться в вещах, которые потенциально могут выполнять работу или создавать тепло, например в бензине в топливном баке. Натянутая резинка или пружина мышеловки, готовая сработать, обладает потенциальной энергией упругой деформации. Шар для боулинга, который положили на высокую стойку и который может упасть с нее, обладает потенциальной энергией. Связи, которые удерживают молекулы вместе, могут накапливать химическую энергию, которая высвобождается, когда они распадаются. Когда молекулы в 0,9 кг нитроглицерина (химическая формула: 4C
3
5
3
9
2
2
2
Калории и джоули – это две стандартные единицы измерения энергии, будь то химическая энергия, запасенная в пище, тепло от огня или работа, выполняемая машиной. Термин «калории» считается наиболее употребляемым в Соединенных Штатах, когда речь идет о еде, однако нам удалось изменить его привычное использование. Одна калория – это именно то количество энергии, которое необходимо для повышения температуры одного миллилитра воды (одной пятой чайной ложки) на один градус Цельсия. На самом деле ее слишком мало, чтобы она была полезной единицей измерения, когда мы говорим о пище (представьте, что дорожные знаки будут показывать расстояние в сантиметрах). Вместо этого, рассуждая о пище, мы на самом деле говорим о килокалориях, или 1000 калорий. Чашка сухих хлопьев для завтрака Cheerios содержит 100 калорий в соответствии с информацией о питательных веществах на коробке, но на самом деле это 100 килокалорий, или 100 000 калорий.
Так почему бы нам просто не называть это килокалориями, или ккал, вместо того чтобы злоупотреблять термином «калории»? Как ни странно, в конце XIX века, когда ученые решили использовать калории в качестве предпочтительной единицы измерения пищевой энергии, влиятельный и прогрессивный американский диетолог Уилбур Этуотер решил придерживаться ранних загадочных условностей и просто писать с заглавной буквы слово «калории», когда речь заходит о килокалориях. Это примерно так же разумно, как писать «Сантиметры» для обозначения метров. И мы с тем пор используем запутанную систему калорий (или Калорий) на упаковках продуктов питания. Конечно, это всего лишь еще одна запись в долгой неловкой истории измерений в Соединенных Штатах. У страны, которая настаивает на использовании чайных ложек, дюймов и Фаренгейта, очевидно, есть глубокие психологические проблемы при обсуждении единиц измерения. (Кстати, если вы путешествуете по цивилизованному миру и хотите перевести джоули на этикетках продуктов питания в калории, разделите их на четыре.)
Поскольку работа и энергия – это две стороны одной медали, мы можем смело рассматривать всю работу, которую выполняют наши клетки, и всю энергию, которую они потребляют, как два способа измерения одного и того же. Можно использовать понятия «метаболизм» и «расход энергии» как взаимозаменяемые. Вот почему биологи-эволюционисты, такие как я, а также врачи и сотрудники общественного здравоохранения, так зациклены на расходовании энергии, в которой мы измеряем скорость обмена веществ, ведь это самый главный показатель активности организма. Скорость, с которой клетка выполняет работу, определяет скорость ее метаболизма, расход энергии в минуту. Сложите работу всех клеток в вашем теле, и вы получите общую скорость обмена веществ, энергию, которую вы тратите каждую минуту. Ваш метаболизм – это работа всего клеточного оркестра на пределе возможностей, когда звуки 37 триллионов микроскопических музыкантов сливаются в прекрасную симфонию.
Сложная метаболическая система, которая поддерживает нас и которую мы все считаем само собой разумеющейся, является чудом естественного отбора. Потребовался почти миллиард лет – неисчислимые триллионы поколений, квадриллионы фальстартов и тупиковых ветвей эволюции, – чтобы на этой планете развилась основная структура сегодняшних простейших одноклеточных метаболических систем, вечность проб и (в основном) ошибок. Нужно было еще два миллиарда лет, чтобы простейшие многоклеточные организмы с их интегрированными метаболическими системами и разделением труда эволюционировали[13]. На этом пути жизни пришлось столкнуться с некоторыми серьезными проблемами в области фундаментальной химии: жир смешался с водой, а кислород, химическое вещество, которое сжигает и убивает, дает нам жизнь. Жиры и сахара, содержащие больше энергии на грамм, чем нитроглицерин, должны тщательно сжигаться для получения топлива, не взрывая организмы или не кипятя их заживо.
Общая скорость обмена веществ – это сумма энергии, которую тратят все клетки вашего тела каждую минуту.
И это даже не самая странная часть. Вся работа, которую выполняют наши тела, происходит за счет того, что клетки подпитываются микроскопическими чужеродными формами жизни, называемыми «митохондриями», которые живут в них. Митохондрии имеют свою собственную ДНК и двухмиллиардную эволюционную историю (а они ведь спасли все на Земле от неминуемой гибели). И большая часть работы по перевариванию пищи в пригодные для употребления кусочки выполняется обширной экосистемой, которая живет в вашем кишечнике. Микробиота включает в себя триллионы бактерий, которые заселяют весь ваш пищеварительный тракт, длинный и извилистый проход, соединяющий рот с анусом.
Все мы ходячие химеры: наполовину люди и наполовину неизвестные существа, совершающие обычное чудо превращения мертвой пищи в живых людей каждый день, не задумываясь ни на минуту. Это история, которую вы, вероятно, уже читали раньше. Скорее всего, на страницах учебника, да еще и приукрашенную в несколько раз. Но стоит послушать ее еще один раз.
Во всяком случае, это важнейшая основа, которая чрезвычайно необходима для понимания того, как питание влияет на здоровье и как тело сжигает энергию – как на самом деле устроена жизнь.
«Зеленый сойлент» – это о людях (или могло бы быть)
Начиная со времен древних греков и вплоть до XVII века люди – в том числе и очень умные, такие как Аристотель, – думали, что мухи, мыши и другие организмы могут самопроизвольно появляться из неодушевленных предметов, например грязи и гнилого мяса. Тогда это предположение имело смысл: в один день в углу сарая куча старого тряпья и сено, а на следующий – там уже мыши. Личинки, казалось, появлялись из гниющих туш, и никто и ничто не помещало их туда целенаправленно. Без правильного понимания микроскопического мира или строгих экспериментов эту идею было трудно опровергнуть. И эта теория была популярна вплоть до испытания Луи Пастера в 1859 году, когда он, вскипятив бульон, доказал, что в нем ничего не сможет расти, если не давать пыли и насекомым попадать туда извне (с тем самых пор мы предпочитаем пастеризовать еду). Сегодня идея «спонтанного зарождения» преподается школьникам как классический пример того, какими невежественными были люди и как далеко продвинулась наука.
Конечно, абсурдно предполагать, что мухи могут самопроизвольно появляться из мертвых останков. Но, как мы поняли за последнее столетие научных исследований метаболизма, правда выглядит еще более странной. Животные, растения и все другие живые существа на самом деле являются «машинами спонтанного зарождения», буквально «собирая» свои организмы и тела своих потомков из пищи, воды и воздуха. В конце концов, что такое муха, как не маленькая машина, которая строит детенышей из гнилого мяса?
В уже ставшим классикой фильме «Зеленый сойлент», научно-фантастической антиутопии 1973 года, действие которого происходит в мрачном будущем Нью-Йорка, персонаж Чарлтона Хестона с ужасом обнаруживает, что зеленая каша, которую все едят, на самом деле сделана из людей. Когда в последней, самой драматичной сцене его насильно уносят, он кричит всем, кто его слышит: «Зеленый сойлент – это люди!». Перенесемся в 2018 год, и в качестве примера, когда из искусства извлекают выгоду, вы можете купить пищевые смеси марки Soylent, замысловатые тюбики питательных веществ, которыми можно заменить нормальную пищу, когда вы хотите поесть на бегу или когда вам не с кем пойти на ланч. Я понятия не имею, какого вкуса этот продукт, но это отличный пример разнообразия. Теперь я почти уверен, что зеленый сойлент, который вы покупаете в интернете в наши дни, не из людей. Но вот в чем загвоздка: может быть, он и из них. Все, что вам нужно сделать, – это съесть его.
Каждая молекула в вашем теле, каждый килограмм костей и мышц, каждый грамм мозга и почек, каждый ноготь и ресница, все шесть литров крови, которые текут по сосудам, – все это появилось из той пищи, которую вы съели. Энергия, которая заставляет вас двигаться и поддерживает жизнь, также поступает из еды. Вы – это то, что вы едите, это не просто избитое клише, это сущность жизни. Каждый содрогается, думая о большом количестве американцев, которые буквально ходячие говорящие биг-маки. Мои дети выросли на куриных наггетсах, пасте, йогуртах и морковке. Сам я питаюсь в основном крендельками и пивом. Как все это работает?
Следуй за пиццей
Начнем с обеда. Вы садитесь за стол и едите маслянистый кусок пиццы пепперони (веганы в этом мысленном эксперименте могут заменить мясо и сыр на растительные продукты). Вы откусываете кусочек и начинаете жевать; пленительное сочетание хлеба, соуса, мяса и сыра танцует на вкусовых рецепторах, зубы разрывают корочку, запах поднимается по задней части неба и заполняет нос. Это неописуемо.
Алхимические процессы начались. Жевание и смешивание пищи со слюной – это первый шаг к перевариванию еды и ее основных составляющих, макроэлементов. Существует три категории макроэлементов: жиры, белки и углеводы. Углеводы – это крахмал, сахар и клетчатка. Они поступают в основном из растительной пищи – корочки и томатного соуса в пицце, которую вы едите. Жиры (в том числе масла) бывают как растительного, так и животного происхождения: к последним относятся сыр и пепперони на кусочке пиццы. Белки поступают в основном из мяса и листьев, стеблей, семян растений (включая бобы, орехи и злаки). Пепперони и сыр полны белков, как и листья базилика сверху. В корке есть белок, в том числе много демонизированной клейковины (глютена), из-за которой тесто приходится долго пережевывать. В кусочке пепперони, который вы едите, есть вода, а также небольшое количество других веществ, таких как минералы и витамины, необходимые вашему организму. Но макроэлементы – жиры, белки и углеводы – являются главной составляющей еды. Именно они поддерживают метаболизм и являются сырьем для обмена веществ.
Примечания
1
Harley-Davidson – американский производитель тяжелых мотоциклов, предназначенных для езды по шоссе. – Прим. пер.
2
«Природа» – телевизионная программа о дикой природе, выпускаемая компанией «Тринадцать»/WNET в Нью-Йорке. – Прим. пер.
3
Хадза – коренной народ на севере Танзании. – Прим. пер.
4
Большой куду, или антилопа куду – африканский вид антилоп из подсемейства быков. – Прим. пер.
5
Унция – примерно 28 грамм. – Прим. ред.
6
Цикл Кребса состоит из восьми последовательных реакций. В результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до воды и углекислого газа. Освобождающаяся при этих реакциях энергия сосредотачивается в молекуле АТФ. За один цикл Кребса может образоваться 12 молекул АТФ. – Прим. ред.
7
Сколько тебе лет? (пер. с суахили)
8
Лерой Роберт «Сэтчел» Пейдж был питчером американской негритянской бейсбольной лиги и питчером Высшей бейсбольной лиги, известным своей долгой карьерой и привлечением рекордного количества зрителей, где бы он ни выступал. – Прим. пер.
9
Вода с двойной меткой – это вода, в которой и водород, и кислород частично или полностью заменены (т. е. помечены) изотопами этих элементов, что позволяет их отслеживать. – Прим. пер.
10
Кэтчер (англ. catcher – ловец) – игровая позиция в бейсболе и софтболе. Кэтчером называют игрока обороняющейся команды, который находится за домом и спиной бэттера, но перед судьёй, и принимает мяч, поданный питчером. – Прим. ред.
11
Жевуны – основной народ Голубой страны из книги «Волшебник страны Оз». – Прим. ред.
12
Имеется в виду, что обезьяны могут пользоваться ногами как руками, как в приведенном примере, когда Кноби предпочитает держать банку ногой. – Прим. ред.
13
Речь о типах питания, способах размножения, заселяемой територии – в общем, об образе жизни разных видов. – Прим. науч. ред.