Sapiens на диете. Всемирная история похудения, или Антропологический взгляд на метаболизм
Мой шок был усилен волнением от того, что я делаю что-то действительно новое. Это было бы первым в истории измерением суточного расхода энергии (общего количества килокалорий, сжигаемых в день) у обезьяны. Редко выпадает шанс сделать что-то действительно новое в науке или быть первым человеком, который сможет измерить какой-то важный показатель. А это было очень важно. Впервые мы собирались всесторонне изучить механизм метаболизма обезьяны. Похож ли он на наш? Или на обмен веществ других млекопитающих? Или же под рыжей шкурой орангутанга скрывалось что-то новое и волнующее?
Я постарался умерить свои ожидания, понимая, что мы можем не найти ничего интересного. На протяжении ста лет ученые изучали скорость основного обмена – количество калорий, сжигаемых в минуту, когда испытуемый находится в состоянии полного покоя (см. Главу 3). В 1980-х и 1990-х годах несколько исследований проверили идею о том, что большая продолжительность жизни приматов была связана с медленным обменом веществ и, следовательно, низкой скоростью основного обмена. Некоторые сторонники этой гипотезы, например Брайан Макнаб, утверждали, что почти все аспекты жизни и изменения рациона питания млекопитающих взаимосвязаны и напрямую зависят от этого показателя. Это была привлекательная идея, поскольку рост и размножение требуют энергии, а стремительный темп жизни, по-видимому, требует быстрого метаболизма. Но более строгий статистический анализ убил прекрасную идею Макнаба, показав, что у приматов была нормальная, ничем не примечательная для млекопитающих скорость основного обмена – и ничто не могло объяснить их необычно длительную продолжительность жизни. На этих результатах были основаны и другие эксперименты, благодаря которым ученым удалось прийти к консенсусу: люди, обезьяны, другие приматы и даже остальные млекопитающие по своей сути устроены одинаково (по крайней мере, когда дело касается метаболизма). Виды были просто по-своему сформированы, как машины с разными кузовами, но с одними и теми же двигателями.
Я усвоил общепринятую точку зрения, когда учился в колледже Пенсильвании в 1990-х, а потом в аспирантуре Гарвардского университета в 2000-х годах, и добросовестно применял полученные знания в части моей диссертационной работы. Но, как и большинство ученых, я был заведомо настроен скептически, и у меня начали возникать еретические мысли. Принято считать, что расход энергии у млекопитающих был в основном одинаковым и основывался на скорости основного обмена – это казалось мне вопиющей проблемой. Этот показатель измеряется тогда, когда субъект находится в состоянии покоя (почти спит), и поэтому он не может точно определить количество калорий, сжигаемых организмом каждый день. Кроме того, скорость основного обмена сложно оценить правильно. Если испытуемый возбужден, или замерз, или болен, или молод и растет, показатель может повышаться – и неудивительно, что большая часть данных о приматах была получена благодаря исследованию молодых послушных обезьян.
Рис. 1.3. Первое измерение суточного расхода энергии у обезьяны. Сквозь тяжелую ограду Роб Шумейкер выливает в рот Ази воду с двойной маркировкой, смешанную с холодным чаем без сахара (нечеткий профиль Ази едва виден справа). Позже он собирает образец мочи, когда орангутанг цепляется за ограждение лапами.
Немногие ученые занимались захватывающей работой по измерению ежедневных энергетических затрат (общего количества калорий, сжигаемых в день, а не только скорости основного обмена) у различных видов животных, используя сложную изотопную методику, называемую методом дважды меченой воды (см. Главу 3). Их исследования показали, что расход энергии у млекопитающих сильно различается и, по-видимому, отражает их эволюцию. Я начал задумываться об этом. Что, если у людей и других обезьян разные метаболические механизмы? Что делать, если ежедневные затраты энергии различаются? Что это может сказать нам об эволюционном жизненном цикле человека, обезьяны и остальных приматов? К сожалению, работа с обезьянами и другими приматами – это такая огромная проблема, что казалось маловероятным, что мы когда-либо получим данные, необходимые для решения этих критически важных вопросов.
Первая поездка в Great Ape Trust стала для меня откровением. У них было два огромных, ультрасовременных объекта, один для орангутангов Роба, другой для бонобо, оба с обширными закрытыми и открытыми площадками, штатным персоналом и интегрированными исследовательскими центрами. Благополучие и качество жизни обезьян стояли на первом месте. Исследовательские проекты были разработаны таким образом, чтобы быть привлекательными и забавными для животных или, по крайней мере, стать частью их повседневной жизни, а не навязыванием. Об агрессивных, болезненных или иных вредных вмешательствах не могло быть и речи.
В какой-то момент своего визита я начал разговаривать о методе дважды меченой воды, метаболизме и эволюции людей и других приматов и о том, что было бы так здорово измерять ежедневные затраты энергии у обезьян, ведь никто никогда этого не делал. Я объяснил Робу, что эти методики абсолютно безопасны и постоянно используются в исследованиях питания человека. Мы могли бы даже узнать что-то практическое об управлении рационом и потреблении калорий обезьянами в неволе! Приматам просто нужно было бы выпить немного воды, а затем мы должны были собирать образцы мочи каждые два дня в течение недели или около того. Есть ли шанс, что мы сможем сделать это здесь с орангутангами?
– Конечно, – говорит Роб, – мы довольно регулярно собираем образцы мочи у большинства орангутангов для проверки здоровья.
– Вау! Правда? Как? – спрашиваю я. Это звучало слишком здорово, чтобы быть правдой.
– Мы просто попросим их, – говорит Роб. Мы болтали у забора одной из открытых площадок. Роб смотрит на Рокки, четырехлетнего самца орангутанга, который параллельно играл, отдыхал и в то же время поглядывал на нас. «Рокки, подойди сюда», – попросил Роб, но не так, как будто зовет собаку, а как будто разговаривает с племянником. Он подошел к забору рядом с нами. – Покажи мне свой рот, – сказал Роб, и Рокки широко раскрыл его. – А как насчет уха? – и он приложил ухо к забору. – А теперь другое? – и примат повернул голову и показал нам второе. – Спасибо! – поблагодарил Роб, и Рокки убежал играть дальше.
– Мы также можем попросить их пописать в чашку, – говорит Роб, пока я стою, воодушевленный разговором обезьян и людей, который только что наблюдал. – Есть только одно «но»…
– Да? «Боже, вот оно, – подумал я, – проверка на реальность. Вот так все и полетит к чертям»…
– Ничего, если часть пробы мочи прольется?
– Никаких проблем, – сказал я, – пока у нас есть хотя бы несколько миллилитров для анализа…
– Хорошо, – сказал Роб. – Потому что Кноби, одна из наших взрослых самок, всегда настаивает на том, чтобы держать свой стаканчик самостоятельно, ногой.
В тот момент я чувствовал себя Дороти, проснувшейся в стране Оз. Я больше был не в Канзасе. Каким-то образом я очутился в Айове, разговаривал с волшебником, а жевуны[11] были оранжевыми, волосатыми и четырехрукими[12].
Ленивец на генеалогическом древе
Позже той же осенью, после того как изотопы были введены и все образцы собраны, я отправил коробку с мочой орангутанга Биллу Вонгу, профессору из отдела исследований Детского центра питания в Медицинском колледже Бейлора. Билл – настоящий эксперт в области обмена веществ и метода дважды меченой воды, и он с радостью помог мне организовать мой проект под названием «Орангутанг», определив необходимую дозу и график сбора образцов мочи. После десятилетий плодотворной и интересной работы в области питания и метаболизма человека Билл, казалось, наслаждался перспективой на время переключиться на обезьян.
Его электронное письмо с предварительными результатами было первым доказательством того, что мы нашли что-то интересное. Данные выглядели великолепно, писал Билл, но анализы показали, что орангутанги имеют низкие ежедневные затраты энергии. Очень низкие. Ученый попросил меня прислать все образцы, которые у меня были (мы собрали больше, чем требовалось для исследования), чтобы он мог просмотреть их все снова, бесплатно. Он хотел убедиться, что все цифры верны.
Орангутанги удивительно ленивы – по сравнению с человеком они потребляют гораздо меньше калорий в пересчете на массу тела.
Еще один круг повторных анализов – тот же результат. Орангутанги каждый день сжигали меньше калорий, чем люди. Разница была огромной. Ази, 110-килограммовый самец, сжигал 2050 килокалорий в день – столько же, сколько 29-килограммовый девятилетний ребенок. Взрослые самки, весившие 55 кг, тратили еще меньше энергии: 1600 килокалорий в день, что примерно на 30 % меньше, чем ожидалось для человека с такой массой тела. Неудивительно, что скорость основного обмена орангутангов также была низкой, намного ниже человеческой. Мы тщательно следили за ежедневной деятельностью обезьян на протяжении эксперимента, и все они были так же активны, как и орангутанги в дикой природе. (Читайте: не очень активны. Орангутанги удивительно ленивы.) Низкие ежедневные затраты энергии не были результатом жизни в неволе. Они говорили нам о том, что в эволюционировавшей физиологии орангутангов есть что-то фундаментально важное.
Любой ученый живет ради этого момента. Мы буквально зачерпнули мерным стаканом неизвестные воды и обнаружили нечто неожиданное. Общепринятые постулаты о метаболизме приматов оказались ошибочными, по крайней мере частично. Оказалось, что между скоростью обмена веществ наших родственников-обезьян и человека существует значительная разница. Люди и орангутанги являются потомками одного обезьяноподобного предка, жившего около восемнадцати миллионов лет назад. Однако за прошедшие тысячелетия эволюция сделала разным метаболизм наших двух линий. Люди и обезьяны отличаются не только формой и пропорциями. Оказалось, что внутри мы тоже другие.
Но настоящий сюрприз меня ждал только тогда, когда я сравнил энергетические затраты орангутангов с другими животными: грызунами, плотоядными, копытными… В общем, с каждым видом плацентарных млекопитающих, энергозатраты которых изучались и были опубликованы (кроме, конечно, сумчатых, таких как коалы или кенгуру, потому что у них и так достаточно странная физиология). Поразительно, но орангутанги расходовали лишь треть от общего количества энергии, которое тратят плацентарные млекопитающие их размера. Только 1 % плацентарных млекопитающих сжигает так же мало калорий. Единственными видами с еще меньшими затратами на аналогичный размер тела оказались трехпалые ленивцы и панды.
Все, что мы знали о середе обитания и биологии орангутангов, казалось, встало на свои места. У них чрезвычайно длинный жизненный цикл, даже по меркам приматов. В дикой природе самцы не достигают зрелости, а самки не рожают первого ребенка, пока им не исполнится пятнадцать лет. Последние размножаются невероятно медленно, с промежутком между беременностями от семи до девяти лет, что является самым длинным интервалом между появлением потомства по сравнению с любыми другими млекопитающими. Они также постоянно сталкиваются с непредсказуемой нехваткой пищи в родных индонезийских тропических лесах. Жизнь орангутангов зависит от фруктов, но бывают месяцы, когда плодов так мало, что им приходится срывать кору с деревьев и соскребать зубами мягкий внутренний слой, чтобы прокормиться. Нехватка еды, по-видимому, влияет на их социальное поведение, поскольку они – единственный вид обезьян, который предпочитает жить в одиночку, потому что им не всегда хватает пищи, чтобы прокормить целую группу.
Медленный метаболизм орангутангов связывал эти наблюдения воедино с их эволюционировавшей физиологией. Это также имело важные последствия для выживания вида. Жизнь в непредсказуемом тропическом лесу, где голод был постоянной угрозой, привела к такой адаптации, которая сводила к минимуму ежедневную потребность в энергии. Их метаболические двигатели эволюционировали, чтобы работать медленно, экономя топливо для защиты от истощения и смерти. Но последствия были суровыми: рост и размножение требуют энергии, а более медленный метаболизм неизбежно приводит к более длительному жизненному циклу. Это, в свою очередь, означает, что популяции орангутангов нужно больше времени на восстановление после природных или техногенных катастроф. Медленный метаболизм, элегантное эволюционное решение сложной окружающей среды, сделал орангутангов более уязвимыми к вымиранию перед лицом разрушения среды обитания и других вмешательств со стороны человека.
Первые измерения суточного расхода энергии у обезьяны открыли новый мир метаболической эволюции, имеющий большое значение для экологии, здоровья и выживания. Что мы могли обнаружить? И как в эту картину вписывались люди? Имея на руках результаты анализов только небольшой горстки приматов, мы не знали ответов на все эти вопросы. Нам нужно было больше данных, от большего числа видов всего генеалогического древа приматов.
Сила приматов
Проект по изучению энергообмена у приматов длился несколько лет, и в нем участвовало более дюжины сотрудников. Мы буквально соединяли частицы информации для получения результатов. Брайан Хэйр, специалист по когнитивным способностям обезьян и мой старый школьный друг, работал в двух обезьяньих заповедниках в Африке, Центре реабилитации шимпанзе Чимпунга в Республике Конго и Лола Я Бонобо в Демократической Республике Конго. (Примечание для путешественников: знайте, о каком Конго вы говорите. В одном довольно опасно, в другом – чрезвычайно.) Как и Фонд Great Ape Trust, они были первыми учреждениями по изучению приматов, которые проводили исследования только в том случае, если это было безопасно и полезно для шимпанзе и бонобо. Примерно в то же время Митч Ирвин, приматолог и защитник природы, работающий на Мадагаскаре, согласился включить измерения энергии в ежегодную оценку состояния здоровья диких диадемовых сифак.
Но исследование действительно сдвинулось с мертвой точки, когда я встретил Стива Росса, директора Центра изучения и сохранения обезьян в зоопарке Линкольн-парка в Чикаго. Ученый был невероятно дружелюбным, позитивным и отзывчивым парнем, ведь он канадец. В дополнение к своей природоохранной работе и исследованиям горилл и шимпанзе в зоопарке Линкольн-парка Стив посвятил свою жизнь перевозке обезьян, которые влачат унылое существование в лабораториях, придорожных цирках, гаражах и других островках нищеты, в хорошие зоопарки и заповедники. Он неустанно, но, заметьте, успешно работал над тем, чтобы обеспечить шимпанзе в Соединенных Штатах такую же федеральную защиту, какой пользуются гориллы, бонобо и орангутанги. Стив – просто герой.
Благодаря сотрудничеству с ним мы смогли добавить к проекту горилл, черно-зеленых мартышек, гиббонов и шимпанзе из зоопарка Линкольн-парка. Проект метода дважды меченой воды разошелся по всему земному шару, в Чикаго, оба Конго и на Мадагаскар, и образцы мочи медленно, но верно присылались нам для дальнейшего анализа. С помощью нескольких опубликованных измерений из других лабораторий мы смогли оценить разнообразие энергетических затрат во всем семействе приматов, от крошечных мышиных лемуров весом меньше 50 граммов до гигантских 210-килограммовых серебристых горилл. У нас даже были специальные условия для изучения: лаборатории, зоопарки, заповедники и сама дикая природа. К 2014 году мы собрали все данные. Отличались ли метаболические механизмы приматов от механизмов других млекопитающих?
Результаты оказались поразительными. Приматы сжигают в два раза меньше калорий, чем другие плацентарные млекопитающие. Чтобы выразить это в понятных для человека цифрах, предположим, что нормальные ежедневные затраты энергии для взрослых людей составляют от 2500 до 3000 килокалорий в день (мы подробнее обсудим это в Главе 3). Исследование показало, что типичное плацентарное млекопитающее нашего размера сжигает более 5000 килокалорий в сутки. Это ежедневные энергетические затраты олимпийских спортсменов на пике подготовки! Но это не означает, что другие животные невероятно активны – они проходят не более трех километров в день и тратят большую часть времени на еду и отдых. Их тела просто сжигают энергию быстрее, намного стремительнее, чем может выдержать замедленный метаболизм обезьян.
Наконец-то мы получили ответ на вопрос, почему у людей и других приматов такой длинный жизненный цикл. Около шестидесяти миллионов лет назад, в начале эволюции наших предков, произошло значительное сокращение энергетических затрат. Метаболические двигатели приматов замедлились до половины скорости обмена веществ других плацентарных млекопитающих. Была ли эта революция в обмене веществ вызвана давлением естественного отбора на жизненный цикл, или же виной были изменения в диете или окружающей среде, которые замедлили наш метаболизм и оказали значительное влияние на рост, размножение и старение – ответ на этот вопрос до сих пор остается неясным. Что нам точно известно, так это то, что глобальность эволюционных изменений метаболизма приматов точно соответствует трансформации цикла жизни. Медленные темпы роста, размножения и старения – это именно то, чего мы от них ожидаем, учитывая низкие ежедневные затраты энергии. Сегодня люди и другие приматы, обладатели этого метаболического наследия, живут дольше и медленнее, чем другие млекопитающие.
Метаболические механизмы приматов сильно отличаются от других млекопитающих – приматы сжигают в два раза меньше калорий.
Это довольно странно, но мы, как и многие исследователи до нас, обнаружили, что скорость основного обмена приматов была схожа с показателями других млекопитающих, хотя ежедневные затраты энергии у них резко различались. Мы полагаем, что несоответствие между этой скоростью и суммарным ежедневным расходом отражает большой размер мозга приматов (этот орган потребляет много топлива). И, следует отметить, связь между метаболизмом и жизненным циклом остается активно изучаемой и противоречивой областью исследований. Мы рассмотрим эти и другие темы в Главе 3 и в других разделах. А теперь давайте обратим внимание на последнюю загадку в развитии обмена веществ у приматов, которая будет обсуждаться на протяжении всей этой книги, – эволюционировавшую метаболическую стратегию нашего вида.
Это мы
Анализируя результаты проекта по изучению метаболизма приматов, мы строили планы относительно более крупных открытий. Исследование орангутангов и других обезьян показало, насколько изменчива скорость обмена веществ в течение эволюционного времени и насколько тесно она связана со средой обитания и жизненным циклом. Таким образом, ключевой вопрос заключался в следующем: что расход энергии может рассказать нам о нашей эволюции? Общепринятое мнение, как я уже упоминал ранее, состояло в том, что ежедневные затраты энергии были одинаковыми у обезьян и людей и не сильно различались у представителей нашей родословной линии.
Знаковым исследованием, формулирующим эту идею, является статья Лесли Айелло и Питера Уилера, написанная в 1995 году. Они собрали все измерения размеров органов человека и других обезьян из более ранних работ, отметив, что у человека мозг больше, а печень и кишечник меньше, чем у обезьян. Не у всех мозг расходует одинаковое количество энергии. Мозг, кишечник и печень являются самыми энергозатратными органами – каждый грамм их тканей сжигает тонну калорий, потому что клетки в этих органах невероятно активны (мы поговорим об этом подробнее в Главе 3). Айелло и Уилер провели расчеты и обнаружили, что у людей энергия, сэкономленная за счет меньшего размера кишечника и печени, полностью компенсирует затраты нашего крупного мозга. Основываясь на этом важном факте, а также на наблюдении, что скорость основного обмена человека и обезьяны в целом похожи на показатели других млекопитающих, ученые утверждали, что критические метаболические изменения в нашей эволюции произошли пропорционально: увеличивая количество калорий, направляемых в мозг, и уменьшая энергию, необходимую для работы кишечника. В этом случае ежедневный расход остается неизменным. Люди тратят не больше энергии, чем обезьяны, они просто тратят ее по-другому.
Эволюционные компромиссы (например схема переключения основного потока энергии из кишечника в мозг, обнаруженная Айелло и Уилером) являются краеугольным камнем современной биологии. Как заметил сам Чарльз Дарвин, опираясь на труды Томаса Роберта Мальтуса, между обитателями природного мира всегда идет борьба за ресурсы: их никогда не хватает. Следовательно, все виды эволюционируют в условиях дефицита. Вы не можете ни съесть торт, ни оставить его на потом. Если в ходе естественного отбора появляются некоторые особенности, скажем, большая голова, полная отвратительных зубов, и мощные задние лапы, другим нужно пожертвовать, например длинными передними конечностями… и вуаля, у нас есть тираннозавр рекс. Или, как выразился Дарвин в «Происхождении видов» (цитируя Гете): «Природа вынуждена экономить в одном направлении, чтобы расходовать в другом».
Идея о том, что мозг и кишечник перераспределили энергию между собой, была выдвинута еще в 1890-х годах Артуром Кизсом после исследований приматов в Юго-Восточной Азии. Он даже попытался показать, что в этом кроется причина различия в размерах мозга человека и орангутанга, однако ученый опередил свое время и математически еще не мог доказать эту теорию. Имея лишь рудиментарное представление об изменении размеров органов в зависимости от общих пропорций тела у млекопитающих, он не смог показать предполагаемого обмена энергией между мозгом и кишечником. Однако на протяжении XIX века идея Артура Кизса все время лежала на поверхности. Например, можно вспомнить Катарину Милтон, антрополога с ценным опытом в области питания, – она десятилетиями работала с людьми и другими приматами в Центральной и Южной Америке (и именно она первой применила метод дважды меченой воды во время исследования диких обезьян-ревунов еще в 1978 году). Милтон доказала, что у приматов, питающихся листьями, кишечник больше мозга. Это объясняется тем, что им необходимо правильно переваривать волокнистую пищу, которую они едят. У видов, которые питались фруктами в тех же лесах, наоборот, был большой мозг и маленький кишечник. Карел Ван Шайк и Карен Айлер из Цюрихского университета провели большое количество исследований в 2000-х и 2010-х годах, доказывая, что цена большего мозга может даже помочь объяснить эволюционные различия жизненного цикла у приматов.
Но как бы ни были важны компромиссы нашего организма, есть основания полагать, что их недостаточно, чтобы объяснить полный набор энергетически важных черт, которые делают человека уникальным. Как мы обсудим в Главе 4, люди растут медленнее и живут дольше, чем любой другой примат, но каким-то образом находят энергию, чтобы размножаться быстрее, чем любой из них. Мы обладаем большим и энергозатратным мозгом, а еще ведем физически активный образ жизни (по крайней мере, те из нас, кто не избалован современными технологиями). Люди также вкладывают больше средств в поддержание своего организма и живут дольше, чем другие обезьяны. Каким-то образом, нарушая естественный порядок течения жизни, который строится на компромиссах, homo sapiens изменился, чтобы получить все эти качества.
Мы предполагали, что набор энергетически затратных человеческих адаптаций можно объяснить ускоренным метаболическим двигателем, эволюционировавшим, чтобы сжигать больше калорий каждый день. В нашем распоряжении было много данных о людях, но нам нужны были измерения, полученные от обезьян, чтобы сравнить их должным образом. Мы со Стивом Россом разработали план привлечения зоопарков по всей территории Соединенных Штатов. В течение нескольких месяцев мы работали с учреждениями по всей стране, составляя графики сбора данных. Мы наняли Мэри Браун, стажерку зоопарка Линкольн-парка, почти такую же жизнерадостную и неудержимую, как Стив, чтобы она ездила по местам содержания приматов (всего их было 14) и координировала процесс сбора информации об обезьянах, которую мы получали. Вскоре моча стала чем-то сродни жидкому золоту для нас.
Результаты оказались даже более многообещающими, чем мы надеялись. Мы обнаружили, что у всех четырех представителей рода человекообразных обезьян (шимпанзе и бонобо, гориллы, орангутанги и люди) были разные ежедневные энергетические затраты. Люди показали самый высокий результат – мы расходуем примерно на 20 % больше энергии, чем шимпанзе и бонобо, на 40 % больше, чем гориллы, и на 60 % больше, чем орангутанги, учитывая различия в размерах тела. Скорость основного обмена тоже отличалась, но в тех же пропорциях. Столь же шокирующими были колебания в жировых отложениях. У выбранных нами людей жировой ткани было в два раза больше (23–41 %), чем у других обезьян (9-23 %). Орангутанги были самыми упитанными, а вот шимпанзе и бонобо считались даже тощими. Как мы обсудим в главе 4, вполне вероятно, что увеличение количества жира в теле происходило параллельно с ускорением метаболизма, обеспечивая больший запас топлива для защиты от голода.