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运动悖论:锻炼无关减肥吗

冯杰

2017年03月02日 12:00

撰文 赫尔曼·庞泽(Herman Pontzer) 翻译 张文韬
《光明日报》

为什么运动对于控制体重收效甚微?人类又是如何演化形成一些独有的重要特征的?通过研究人体的能量消耗方式,这两个看似无关的问题都得到了解答。

在传统观念中,经常进行体力活动的人比活动量较小的人消耗的能量多。但近期的研究发现,在传统的狩猎采集社会中,部落成员每天从事大量艰苦的体力劳动,但他们消耗的能量却与享受现代便利生活的人相同。

如果人类的能量消耗是恒定的,那么人类的大脑等高能耗的特征是如何演化出来的?通过比较人类与其他灵长类动物的能量消耗模式,我们发现,在演化过程中,人类通过增加新陈代谢率,维持上述特征。

1·还是没有找到长颈鹿

在坦桑尼亚北部的热带草原上,生活着原始的狩猎采集部落——哈扎部落(Hadza)。他们以野生动植物为食,对当地的地形和动植物了如指掌,甚至比你对你家附近的超市还要熟悉。我们的故事就从这里开始。为了寻找一只被射中的长颈鹿,我们4个人已经走了半天路。前一天夜晚,近40岁的哈扎男子穆瓦萨德在25码(22.86米)开外向这只长颈鹿射出了一只装着钢制箭头的木箭,箭头上涂抹了可怕的自制毒药。这只毒箭射中了长颈鹿的脖子下方。穆瓦萨德让长颈鹿奔跑一阵,以便药性发作,天亮后它就会死掉。这个庞然大物够他的家人和部落的其他成员吃上一个星期,当然,前提是得找到它。

我们这个4人团队的成员还包括亚利桑那大学的戴夫·里奇伦和12岁的哈扎男孩内耶,而穆瓦萨德是这个团队的首领。天刚蒙蒙亮,我们就从哈扎人的营地出发了。我们穿行在无尽的草原中,经过一个小时的搜寻,终于发现了长颈鹿留下的血迹。几个小时过去了,我们依然在烈日下追寻着这只被射中的动物,但是血迹却越来越稀薄。

还是没有找到长颈鹿,不过至少我还带着水。刚过中午,我们躲在一片灌木丛的树荫下休息,穆瓦萨德思考着那只长颈鹿会往哪儿走。我带了大约1夸脱(约1.14升)的水,我想这足以帮助我们度过炎热的下午了。然而穆瓦萨德没有带一滴水,这是哈扎人的习惯。小憩之后,我们准备继续上路,这时我给穆瓦萨德递了一瓶水。穆瓦萨德笑着瞟了我一眼,一口气把一整瓶水喝光,然后把空瓶递给了我。

这瓶水是我试验计划的一部分。我、戴维和耶鲁大学的布赖恩·伍德这一个月都跟哈扎人住在一起,这是科学家第一次直接测量狩猎采集部落的每日能量消耗。我们邀请了几十位男女参与者,穆瓦萨德就是其中一员。我们让受试者喝一种特殊的水,这一小瓶水就贵的出奇,水中富含2种稀有的同位素:氘(2H)和重氧(18O)。我们分析每位受试者尿样中的氢、氧同位素,计算出身体产生二氧化碳的速率,从而进一步算出他们每天消耗多少能量。因为具有直观、安全、精确等优点,这种双标水(doubly labelled water,DLW)法被誉为公共卫生领域测定每日能量消耗的“金标准”。但是,这种方法需要受试者把水喝得干干净净。我们煞费苦心,告诉他们必须把一整瓶水喝光,千万不能洒出来。穆瓦萨德看来是把我们的嘱托放在心上了。

通过对哈扎部落的研究,我们对人体消耗能量的方式有了更深的认识。结合其他研究人员的成果,我们提出了一些令人惊讶的新观点。与通常的观点相反,我们得到的数据表明,无论进行多大强度的体力活动,人类每天消耗的能量是相同的。然而,与我们的灵长类近亲相比,人类消耗的能量更多。这些结论有助于解释两个看似无关,实则密不可分的问题:为什么运动对于控制体重收效甚微?人类很多独有的特征是如何产生的?

2·卡路里经济学

对人类演化和人类生态学感兴趣的科学家往往关注能量消耗,因为能量是一切生命现象的核心。科学家可以通过测量代谢速率了解任何一个物种:生命本质上是一个将能量转化为后代的游戏,生物通过消耗能量在演化道路上受益,而自然选择作用塑造了物种的各种特征,使得单位能量带来的收益最大化。理想情况下,这类研究的对象应该生活在与祖先相同的环境中,这里保留了塑造出人类特征的生态压力。不幸的是,现在很难找到合适的研究对象了,因为大部分人已经脱离了整天在野外寻觅食物的生活。在过去的200万年中,人类和我们的祖先几乎一直是过着狩猎采集生活。农业在距今1万年前才出现,而城市、工业和现代技术则是在几代人之前才出现的。作为世界上最后的狩猎采集群体,哈扎人成为研究人类在畜牧、汽车和电脑出现之前的演化历程的关键人群。

长久以来,研究公众卫生和人类演化的科学家一直认为,过着打猎采集生活的祖先,一定会比生活在城镇里的现代人消耗更多的能量。看到哈扎族人艰苦的生活方式,这个假设似乎更加难以被推翻。很多公众卫生学者甚至提出,目前发达国家中肥胖症流行,就是因为人们的日常能量消耗减少,没有被消耗掉的热量逐渐累积变成脂肪。我们测定哈扎人每天新陈代谢速率的目的之一,就是要确定与这些狩猎采集者相比,现代西方人的能量消耗要低多少。度过了尘土飞扬的炎热季节,我们返回了美国,我把哈扎人的尿样小心翼翼地用干冰保存起来,送往位于休斯敦的贝勒医学院,那里有全美顶级的双标水实验室。我猜想,这些哈扎人每天消耗的能量一定高得惊人。

但是,通过质谱仪得出的同位素结果非常有意思。贝勒医学院的分析结果显示,哈扎人消耗的能量与我们并无差异。哈扎男性每天摄入和消耗的热量约为2600卡路里,女性大约是1900卡路里,这与欧美成年人一致。我们对所有能想到的因素进行了进一步的分析,包括体重、体脂率、年龄和性别,但是都没有区别。这怎么可能呢?我们遗漏了什么吗?还是说,我们对人类生物学和演化的某些观点出错了?

3·守恒的人体能耗

体力活动较多的人消耗的能量更多,这个观点是如此显而易见、无可辩驳,以至于我们在缺乏批判性思考和实验证据的情况下,就接受了这个观点。自从20世纪八九十年代以来,随着双标水法的出现,实验数据向公众健康和营养学的传统观念提出了挑战。从哈扎部落得到的结论固然令人诧异,却也不是晴天霹雳。它更像是开始下雨时,第一滴落入你后颈的雨滴,早已存在却一直被忽略。

最早的双标水法研究选择了危地马拉、冈比亚和玻利维亚的传统农民,结果表明,他们的能量消耗与城市居民基本一致。本世纪初,芝加哥洛约拉大学的公众卫生学家埃米·卢克开展了进一步的研究,她对比了尼日利亚乡村女性与芝加哥市非洲裔美国女性的能量消耗和体力活动。与我们对哈扎人的研究结果一样,卢克发现尽管两类人群的活动量差异很大,但每天的能量消耗却没有差异。洛约拉大学的另一位科学家拉腊·杜加斯与卢克进一步分析了全球98类人群的能量消耗情况,发现无论是在发达国家享受现代化便利生活,还是在发展中国家进行更多体力活动的人群,他们的能量消耗都是相同的。

人类并不是唯一一个能量消耗速率固定的物种。完成了对哈扎人的研究之后,我紧接着领导开展了一个大型合作项目,测定猴子、猿、狐猴和人类等灵长类动物的日常能量消耗。我们发现,尽管体力活动水平有明显差异,但是,被关在实验室或者动物园里的灵长类动物与野外个体每天消耗的能量相当。

为了进行更细致的观察,比较个体而不仅是群体的平均情况,我们对体力活动水平和能量消耗的关系开展了为期多年的大规模分析,这被称为流行病学迁移研究建模。在整整一周的时间里,超过300名受试者每天24小时都要穿戴类似Fitbit或其他健身追踪器的感应器,同时,我们用双标水法测量他们的每日能量消耗。我们发现,受试者每天的体力活动与代谢速率之间仅呈现出很弱的相关性。平均来说,终日懒散在家的人每天消耗的热量比进行适度锻炼(指每周进行一些锻炼,上楼时走楼梯)的人少200卡路里。但更重要的是,当体力活动量增加时,能量消耗提升到一定水平就保持不变了:体力活动量最大的人与进行中等强度体力活动的人消耗的能量一致。在这项针对个体的研究中,我们很明显地看到了与群体研究一样的现象,就是这种现象令哈扎部落与其他群体的能量消耗保持相同。

在保持正常能量消耗的情况下,身体是如何适应更大的活动量的?哈扎人每天要在狩猎、采集上消耗数百卡路里,但他们消耗的总能量却跟那些不常运动的欧美人一样多,这是怎么回事?我们还不确定答案,但要明确的是,运动本身的成本是不变的:例如,同样是走1英里,哈扎人消耗的热量与西方人是一样的。这可能是因为,活动量较大的人能通过微妙的行为方式改变节省能量,比如他们会找机会坐下,或者是睡眠程度更深。但我们的METS数据分析结果显示,这些行为虽然可能起到一些作用,却不足以解释每日能量消耗恒定的现象。

另一种有趣的可能性是,为了在固定的能量预算中,给额外的体力活动消耗腾出空间,用于很多看不见的活动的能量减少了:细胞和器官的工作维持着我们的生命,在这些活动中节省能量,能在每日能量消耗恒定的情况下,让我们进行更多的体力活动。例如,锻炼常常会造成免疫系统对抗感染的炎性反应减弱、导致雌性激素等生殖激素分泌水平下降。在动物实验中,日常运动的增加对能量消耗没有影响,但却会缩短排卵周期、减慢组织修复。极端情况下,一些动物会吃掉它们尚未断奶的幼崽。看来,为了保持每日的能量消耗不变,人和其他生物都演化出了若干策略。

以上所有证据表明,肥胖是暴饮暴食导致的疾病,懒惰不是肥胖的原因。人们摄入的能量高于消耗掉的能量时,体重就会增加。如果说在人类历史上,每天的能量消耗从未发生改变,那么当代肥胖盛行的主犯就是饮食了。这算不上新闻。公众卫生领域早就有谚语:你无法抵消糟糕的饮食造成的后果。根据个人经验以及对大量数据的分析,专家发现仅仅进行体育锻炼并不能减肥。这些最新的研究有助于解释为何运动对减肥无效。并不是我们不够努力,而是我们的身体从一开始就唱反调。

不过,锻炼仍然是必不可少的。这篇文章可不是你从此不去健身房的借口。运动还有大量有证可查的好处,比如提高心肺功能、提高免疫系统能力、改善大脑功能和健康老龄化。实际上,我的猜想是,对体力活动的代谢适应也是运动使我们保持健康的原因之一:将能量从炎症等活动中转移,以免炎症持续太久从而产生负面影响。例如,慢性炎症就与心血管病和自体免疫疾病有关。

吃下的食物当然会影响我们的健康,运动配合饮食改变能够让我们保持健康的体重,但根据以上研究,最好把饮食和运动看作拥有不同效果的工具。运动可以让我们保持健康活力,而要保持体重则要依靠饮食。

4·演化与能量消耗

近期的科学研究发现,代谢适应有助于阐明运动与肥胖的关系,但是固定、自适应的代谢速率给研究人员出了一道难题。如果每天的能量消耗固定不变,那么人类是怎么演化成为与我们的灵长类近亲完全不同的物种的?生命没有免费的午餐。资源是有限的,在一种特征上有过人之处往往意味着在其他方面不尽如人意。兔子繁殖能力强,寿命却很短,这并不是巧合。它们把大量的能量都投入到繁殖中,所以没有多余的能量来维护身体和延长寿命。霸王龙有硕大的头部、锋利的牙齿、强壮的后肢,但是它们的前爪小得可怜,所以即使是恐龙也不能将各个特征都演化得足够完善。

在这种崇尚节俭的演化基本原则中,人类是个例外。我们的大脑是如此之大,当你坐着阅读这篇文章时,每4次呼吸获得的氧气中,都有一次要供大脑使用。根据我们对哈扎人的研究结果以及其他研究者的结论,能量消耗是固定的,那么这一与猿类相似的代谢模式是如何支持耗能高昂的人类特征的?在广泛对比了人类与其他灵长类动物的能量消耗后,我们开始怀疑,在人类的演化历程中,生理代谢或许发生了重大改变,这一变化推动了一系列能耗巨大的生理特征的形成。

我们发现,灵长类动物每天消耗的能量只有其他哺乳动物的一半。与缓慢的代谢速率相对应的,是灵长类动物较为缓慢的生长和繁殖速率。反过来说,人类的繁殖等特征耗能更高,是不是因为代谢速率经过演化变得更快呢?为了验证这个想法,我们挑选了黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩和猩猩,小心喂它们喝下双标水,然后收集尿液与人类进行可靠的对比。不出所料,人类每天消耗的能量比所有其他人科近亲都要多。即使在考虑了体型、运动量等影响因素后,人类每天也要比黑猩猩和倭黑猩猩多消耗400卡路里的能量,与大猩猩和猩猩的差值更大。与其他灵长类相比,人类额外的能量消耗是为了支持更大的大脑、生育更多后代,并且维持身体机能,使人类的寿命更长。人类的演化不仅仅体现在我们吃得更多(虽然事实如此),我们知道,如果身体无法消耗这些额外的能量,那只会导致肥胖。与我们的猿类近亲相比,我们的身体能够更加迅速地燃烧能量、完成更多工作,在细胞水平上也是如此。人类的演化并非完全没有取舍:相比于其他猿类,我们的消化道较小,其消耗的能量也更低;而猿类主要以植物为食,需要尺寸更大、能耗更高的肠道来消化食物中的纤维。但是人类得以演化至今的关键,是新陈代谢机制的革命性改变。

下午晚些时候,我们踏上了回营地的路。穆瓦萨德也停止了对地面的搜索,目视着前方。我们回家了,但是并没有找到长颈鹿。这是人类高能耗策略的一个弊端:非常有可能两手空空地回家。我们需要高热量的食物支撑快速的新陈代谢,但是这些食物很难从野外获得,增加了寻找食物的能量消耗,而且无论是对于外出觅食的哈扎部落男女,还是留在营地里的孩子来说,遭受饥饿的风险也大大提高了。

幸运的是,人类在困境中演化出了防止挨饿的技能。我们是唯一掌握烹饪技术的物种,烹饪增加了食物的热量值,使得食物更易于吸收。我们熟练地掌握了火的使用,把本不适于食用的块根类蔬菜(从超市出售的红薯到哈扎人吃的野生薯类)变成真正能补充热量的“淀粉炸弹”。我们也在演化中变胖。我们知道西方国家面临着肥胖危机,而即使是按照人类标准很瘦的哈扎成年人,其脂肪含量都是关在动物园里的黑猩猩的两倍。虽然在现代社会,脂肪过多可能是个问题,但我们偏爱储存脂肪的特性,或许是和代谢速率的加快一同演化而来的,成为人类在食物匮乏时期得以生存的关键。

太阳下落到树梢的位置,我们伴随着余晖走回了营地。我和戴维走向自己的帐篷,穆瓦萨德和内耶则回到了自己家的小屋,每个人都很高兴,我们终于回家了。虽然没有捕到长颈鹿,但是那天晚上没有一个人饿肚子。营地里的我们拥有人类对抗饥饿最巧妙、有力的武器:分享。对我们来说,分享食物显得如此平常,无论是在烧烤宴会、生日派对还是受诫礼上,我们都把分享食物看作理所当然的事,但其实分享是人类演化道路上必不可少的重要一环。

除了对营养的需求和脂肪储存,人类能量消耗增加的最深远影响可能是,人类被迫开始合作。随着人类代谢速率的加快,我们的命运与他人牢牢绑在一起,要么合作,要么死亡。当我和戴维、布赖恩坐在一起,打开沙丁鱼罐头和薯片,讲述起当天的冒险遭遇时,我意识到我们除了分享食物没有其他办法了。没有长颈鹿,也没关系。

(赫尔曼·庞泽是纽约市立大学亨特学院的人类学家。他通过研究人类和其他人科动物的能量消耗,检验人类生理、解剖学的演化假说。)
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2017年03月02日 11:36
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