Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Przyczyn otyłości jest wiele, ale wszystkie opierają się na jednej prostej nierówności: dostarczanej do organizmu energii jest więcej niż energii zużywanej. Czasem bilans energetyczny zaburzają choroby (np. niedoczynność tarczycy skutkuje spowolnieniem metabolizmu chorego, a tym samym zmniejszeniem porcji wydatkowanej energii), często jednak styl życia – brak ruchu, nocne podjadanie czy dieta bogata w cukry proste i tłuszcze.
Ważną rolę w diecie odgrywają zatem kalorie – choć liczą się nie tylko one. Kaloria w dietetyce i medycynie jest jednostką, za pomocą której określa się wartość energetyczną żywności. Informuje, jaka porcja energii zostanie nam dostarczona. Ale nie samej energii potrzebujemy do życia. Prawidłowa dieta to również witaminy, różne pierwiastki, aminokwasy i błonnik pokarmowy. Nasze ciało zużywa jednak najintensywniej właśnie składniki energetyczne, a ich brak dostrzegamy bardzo szybko.
Lepsza niż cieplik
Pojęcie kalorii wprowadził do nauki Nicolas Clément, francuski fizyk i chemik, żyjący na przełomie XVIII i XIX w. Zdefiniował on kalorię jako ilość energii potrzebną do podniesienia temperatury jednego kilograma wody o jeden stopień Celsjusza. Clémenta interesowało działanie silników parowych, a zwłaszcza przeliczanie ilości materiału opałowego na energię. Wraz z przyjacielem Nicolasem Carnotem opracowywał koncepcję mechanicznego odpowiednika ciepła (głoszącą, że ilość wydzielanego ciepła można wyrazić ilością wykonanej przez jakieś urządzenie pracy), rozwiniętą później przez Jamesa Joule’a i Juliusa Mayera. Koncepcja ta była ważnym krokiem na drodze do sformułowania zasady zachowania energii.
Z oczywistych przyczyn obliczenia musiały się opierać na dużych jednostkach, takich jak kilogramy. Dlatego też kaloria Clémenta jest współczesną „dużą kalorią”, czyli kilokalorią (kcal). „Mała kaloria”, czyli gramokaloria albo po prostu dzisiejsza kaloria (cal), została wprowadzona w 1852 r. Jej definicja mówi o ogrzewaniu grama wody.
Pojęcie kalorii było przede wszystkim używane do tłumaczenia zawiłości termodynamiki, ulepszania najnowszej technologii, jaką był wówczas silnik parowy, a także obalania starych teorii o istnieniu pierwiastka ciepła, zwanego po francusku calorique. W Polsce Jędrzej Śniadecki, lekarz i biolog, nazwał ten pierwiastek cieplikiem (słowo „świetlik”, czyli pierwiastek światła, też jest zresztą jego autorstwa).
Wszystko to nie tłumaczy jeszcze, dlaczego dziś na każdym opakowaniu jogurtu i hummusu pojawiają się tabele z kilokaloriami. Człowiekiem, który połączył kalorie z żywieniem i ludzkim organizmem, był amerykański chemik Willbur Olin Atwater. Zainspirowany podróżą po Europie w latach 70. XIX w., postanowił stworzyć rolniczą stację doświadczalną, na wzór tych, które widział w Niemczech. Jednostki te miały służyć przede wszystkim unowocześnianiu rolnictwa, zwiększeniu jego wydajności i opłacalności. Jednak największe zasługi dla nauki przyniosło Atwaterowi zainteresowanie ludzkim metabolizmem oraz żywieniem. I właśnie na tym skupił się najbardziej.
Walka z marnotrawstwem
Stał za tym ważny aspekt ekonomiczny i społeczny. W jednym z artykułów Atwater pisał: „Połowę zarobków pracowników najemnych w tym kraju i Europie przeznacza się na żywność. Zdrowie i siła wszystkich są ściśle zależne od ich diety. Jednak większość ludzi niewiele wie o tym, co zawiera ich żywność, w jaki sposób ich odżywia, czy kupowanie i przygotowywanie jej jest ekonomicznie rozsądne, czy też nie, oraz czy żywność, którą spożywają, jest odpowiednio dostosowana do wymagań organizmu. Rezultatem tej ignorancji jest wielkie marnotrawstwo przy zakupie i używaniu żywności, utrata pieniędzy i uszczerbek na zdrowiu”.
Celem Atwatera było stworzenie dietetycznego standardu dla wszystkich ludzi. Jego szacunki, choć uwzględniały wiek, płeć czy zawód, były oparte na uśrednionych wartościach spożycia pokarmów przez różne grupy ludzi. Sam Atwater był krytyczny wobec własnych wyliczeń i podkreślał potrzebę badań na poziomie metabolicznym. Chciał wiedzieć, jak wiele energii ludzki organizm potrzebuje, by normalnie funkcjonować. Wraz z kilkoma innymi naukowcami rozpoczął więc w 1895 r. budowę ogromnego kalorymetru, w którym mógłby zmieścić się człowiek wykonujący codzienne czynności.
Kalorymetria, czyli metoda pomiaru wydzielanego lub pobieranego ciepła, była w badaniach nad metabolizmem wykorzystywana już wcześniej, ale na zdecydowanie mniejszą skalę. Zanim Atwater i jego zespół zabrali się za swój projekt, w kalorymetrach zamykano owce, psy i bydło. Jeszcze wcześniej metabolizm próbowano badać, ważąc ludzki organizm w różnych sytuacjach. Słynny włoski lekarz epoki renesansu Santorio Santorio miał obsesję na punkcie pomiarów. Skonstruował specjalne krzesło, na którym ważył siebie i wszystko, co zjadał i wydalał. Ważył się po każdej czynności – przed snem, po przebudzeniu, przed i po spacerze itd. Zaobserwował, że pewna ilość materii znika bez śladu. Ten efekt nazwał perspiratio insensibilis, czyli niedostrzegalnym oddychaniem, a jest on w rzeczywistości utratą około pół litra wody dziennie przez skórę i wraz z wydychanym powietrzem. Jego prace były inspiracją i początkiem badań nad ludzkim metabolizmem.
Komfort ciasnej klatki
Procesy kataboliczne, czyli te uwalniające energię, można sprowadzić do prostego wzoru: pożywienie oraz tlen dają w efekcie energię, dwutlenek węgla i wodę. Co ważne, część uwolnionej energii rozprasza się w postaci ciepła. Kalorymetria bezpośrednia polega na zmierzeniu tego ciepła, by wyliczyć całość energii uwolnionej przez organizm z pożywienia. Z kolei kalorymetria pośrednia mierzy zużycie tlenu i produkcję dwutlenku węgla, i dopiero wówczas wylicza się wyprodukowaną energię i inne niewiadome z wzoru.
Zespół Atwatera stworzył klatkę z miedzi, cynku i drewna, w której zamykano obiekt eksperymentu – w tym przypadku człowieka. Urządzenie mierzyło zarówno uwolnione ciepło, jak i pobierany tlen oraz wydychany dwutlenek węgla.
O zachowaniu obiektu eksperymentu wewnątrz kapsuły najlepiej niech opowie sam jej twórca:
„Ochotnik w komorze normalnie żyje – je, pije, pracuje, odpoczywa i śpi. Ma ciągły dostęp do świeżego powietrza. Temperatura otoczenia jest utrzymywana na poziomie, na który przystał uczestnik. W komorze znajduje się małe składane łóżko, krzesło oraz stół. W ciągu dnia łóżko jest złożone, by zrobić miejsce do siedzenia przy stole i dać możliwość spacerowania. Jego przechadzki są jednak ograniczone, komora ma siedem stóp długości, cztery szerokości i sześć wysokości. Żywność i napoje są podawane przez otwór, który jednocześnie służy do usuwania stałych i płynnych ekskrementów oraz zaopatrywania obiektu w książki, przybory toaletowe i wszystkie inne rzeczy niezbędne dla komfortu i wygody”.
Badania Atwatera były sporym osiągnięciem. Dowiodły, że zasada zachowania energii dotyczy również istot ludzkich, a każda ilość energii, która nie została wykorzystana przez organizm do bieżących celów, jest w nim magazynowana.
Amerykanin nie poprzestał na empirycznym określaniu zużycia energii przez organizm człowieka. Istotne było dla niego także poznanie kaloryczności produktów żywnościowych. Jedną z metod określenia kaloryczności żywności była bomba kalorymetryczna. Urządzenie to zaprezentował w 1881 r. Marcellin Berthelot. Kaloryczność badanej substancji czy produktu określało się, spalając go i mierząc uwolnione ciepło. Atwater stworzył ogólne współczynniki dla czterech podstawowych, jak mu się wydawało, składników pożywienia: tłuszczu (9 kcal/g), węglowodanów (4 kcal/g), białka (4 kcal/g) i... alkoholu (7 kcal/g).
Porady doktor Peters
Pierwotny system Atwatera był jednak zawodny. Jeśli mierzymy wartość kaloryczną kromki chleba pszennego zawierającego 10 g węglowodanów, 2 g tłuszczów i 1 g białka, otrzymamy 62 kcal – i wszystko się zgadza. Ale w przypadku niektórych produktów system nie działa. Przykładem jest błonnik, który, choć jest węglowodanem, nie dostarczy organizmowi energii – ponieważ nie potrafimy go trawić. Kaloryczność posiłku z dużą ilością błonnika będzie zatem znacznie niższa, niż sugerowałyby to wyliczenia.
Zmodyfikowany system przetrwał i częściowo jest używany do dziś (zob. ramka). Zespół Atwatera całkowicie zmienił postrzeganie metabolizmu i kalorii przez naukę, jego celem zaś, jak pamiętamy, było również dotarcie z tą wiedzą do mas. To drugie zadanie kilka lat po śmierci praojca wszystkich diet wzięła na swoje barki Lulu Peters. Kobieta-lekarz, co w tamtym czasie w USA było niezwykłe samo w sobie, w 1909 r. kończyła studia medyczne, ważąc blisko 100 kilogramów. Licząc kalorie i korzystając z głodówek (które dziś nie są polecaną metodą pozbycia się nadwagi), udało jej się zrzucić ponad 30 nadmiarowych kilogramów. Swoim przykładem chciała zachęcać do dbania o wagę ciała i zdrowe żywienie.
Na początku 1918 r. opublikowała książkę pt. „Dieta i zdrowie: klucz do kalorii”. Peters przekonuje w niej: „Powinniście znać i używać słowa kaloria, tak często, a nawet częściej, jak używacie stopy, jarda, kwarty, galonu itd.”. Książka napisana była prostym językiem i przyozdobiona obrazkami autorstwa dziewięcioletniego siostrzeńca autorki.
Zaraz po ukazaniu się książki Peters wyjeżdża do Europy ogarniętej jeszcze zawieruchą Wielkiej Wojny, gdzie przez kolejne dwa lata służy w Czerwonym Krzyżu na Bałkanach. Po powrocie odkrywa, że jej książka stała się bestsellerem. Sprzedały się 2 miliony egzemplarzy. Choć to publikacja lekka i zabawna, wpisuje się w nastroje tamtego okresu. Czas wojny był trudny dla społeczeństwa amerykańskiego również ze względu na braki żywności. Administracja prezydenta Woodrowa Wilsona zachęcała obywateli do rozsądnego zarządzania budżetem i racjonalnego gospodarowania żywnością. Ówczesny szef Agencji Żywności i późniejszy prezydent Herbert Hoover wprowadził „bezmięsne czwartki” i „bezcukrowe soboty”. Pieczono także tzw. chleb zwycięstwa zawierający 20 proc. zbóż innych niż pszenica.
Peters kończy pierwsze wydanie książki hasłem zaczerpniętym z plakatów Agencji Żywności przestrzegających przed marnowaniem jedzenia: „Żywność wygra wojnę”. I podkreśla: jedz tyle kalorii, ile potrzebuje organizm.
Dodatkowa seria pompek
Ale skąd wiadomo, ile ludzki ustrój potrzebuje energii? Każdy przecież ma inne tempo metabolizmu, inaczej pracuje, je i spędza czas. Choć bilans energetyczny jest dość prosty – energia dostarczana do organizmu powinna równoważyć energetyczny wydatek, to wzór ten można skomplikować. Wydatek energetyczny składa się ze strat energii oraz energii wydatkowanej przez organizm, zwanej całkowitą przemianą materii. Ta ostatnia to suma podstawowej i ponadpodstawowej przemiany materii. Podstawowa przemiana materii to absolutne minimum potrzebne do utrzymania funkcji życiowych, takich jak oddychanie, praca serca, i układu nerwowego (a zwłaszcza mózgu), utrzymanie stałej temperatury itd. Tyle energii zużywamy, gdy leżymy bez ruchu na kanapie patrząc w sufit.
Podstawową przemianę materii można zmierzyć kalorymetrem albo oszacować matematycznie. Pierwszy wzór opracował jeden ze współpracowników Atwatera – Francis Benedict. Wartość ta zależy m.in. od wieku, płci i budowy ciała, ale wpływ mają również stany chorobowe. Podstawowa przemiana materii w najmniejszym stopniu zależy jednak od nas i naszych działań.
Większy wpływ mamy na ponadpodstawową przemianę materii, która stanowi całkowitą energię zużywaną w czasie pracy, aktywności fizycznej czy umysłowej. Także w trakcie jedzenia. Każdy posiłek należy strawić, co wiąże się z dodatkowym wydatkiem energetycznym. Efekt ten, nazywany swoistym dynamicznym działaniem pokarmów, odpowiada za wzrost temperatury po obfitym posiłku, szczególnie białkowym. Ponadpodstawowa przemiana materii jest więc tym miejscem we wzorze bilansu energetycznego, w które celują trenerzy personalni, próbując zmusić ćwiczącego do zrobienia jeszcze jednej serii pompek.
Trudno samemu zbudować kalorymetr, zamknąć się w nim i zmierzyć swój wydatek energetyczny w trakcie różnych aktywności. Aby więc uprościć obliczenia, zaproponowano współczynnik aktywności fizycznej, przez który należy przemnożyć podstawową przemianę materii. Każdemu według jego potrzeb.
Z tych powodów Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) w swoich wytycznych dotyczących prawidłowego żywienia nie przedstawia z góry ustalonych wartości energetycznych potrzebnych do życia, ale podaje procentowy udział poszczególnych podstawowych składników (w przeciwieństwie do Atwatera pomija przy tym alkohol). WHO zaleca, by cukier dodawany do żywności stanowił mniej niż 10 proc. dziennej dawki energii, a tłuszcze powinny stanowić mniej niż 30 proc. Istotą, podobnie jak w geopolityce, jest rozsądna dywersyfikacja źródeł energii.
W komórkowych elektrowniach
Trzymając się tej analogii, w naszym organizmie znajdziemy również elektrownie oraz odbiorców. Odbiorcą energii jest każdy proces biochemiczny zachodzący w żywym organizmie, który jej wymaga. Nie da się korzystać ze źródeł energii (takich jak glukoza czy kwasy tłuszczowe) bezpośrednio w każdej biochemicznej reakcji, tak jak nikt nie korzysta z węgla kamiennego, by zasilić swój odkurzacz. Dlatego kluczową rolę odgrywają mitochondria – obecne w komórkach małe elektrownie, które są miejscem przetwarzania energii chemicznej zawartej w substratach energetycznych w użyteczną biologicznie energię zawartą w cząsteczce ATP. Wszystko to dzieje się w obecności tlenu.
ATP (trójfosforan adenozyny) to podstawowy związek organizmów żywych. Jest łącznikiem między energią zawartą w pożywieniu a energią wykorzystywaną przez organizm. Cząsteczka ATP zbudowana jest z adenozyny i łańcucha trzech reszt fosforanowych połączonych ze sobą dwoma wysokoenergetycznymi wiązaniami. To właśnie z tych wiązań w wyniku ich rozpadu uwalniana jest konieczna do biochemicznych reakcji energia.
Droga, którą przechodzi pojedyncza cząsteczka glukozy – od wejścia do komórki, przez przekształcenia w mitochondrium, aż do wytworzenia cząsteczek ATP, wody i dwutlenku węgla, który później wydychamy – nosi nazwę oddychania komórkowego. Wzór sumaryczny tego procesu nie różni się od reakcji utleniania cząsteczki glukozy w bombie kalorymetrycznej. Glukoza oraz tlen dają dwutlenek węgla, wodę i dużą ilość energii. Skomplikowanie i wieloetapowość oddychania komórkowego służą ujarzmieniu tej energetycznej reakcji.
Pierwszym etapem jest tzw. glikoliza, zachodząca w komórce, ale poza mitochondrium. Powstaje wówczas związek, który w mitochondrium wchodzi w słynny (i znienawidzony przez studentów biologii) cykl Krebsa. Na samym końcu jest łańcuch oddechowy, który staje się głównym źródłem ATP. Ostatecznie z cząsteczki glukozy powstaje 38 cząsteczek ATP. Inaczej przebiega metabolizm tłuszczów, w którym z jednej cząsteczki kwasu tłuszczowego o długości 16 atomów węgla (kwas palmitynowy, obecny np. w oleju palmowym) powstaje aż 131 cząsteczek ATP.
Okazuje się jednak, że jeśli przeliczyć kaloryczność glukozy zmierzoną w bombie kalorymetrycznej i porównać do ilości kalorii zawartych w wiązaniach energetycznych ATP, to brakuje sporej ilości energii. Co się z nią dzieje? Jej duża część jest zamieniana w ciepło. W tym aspekcie ludzki organizm przypomina pierwsze maszyny parowe, w których ogromne straty energii spędzały sen z powiek takim naukowcom jak Clément i Joule.
Ludzkość jednak nie musi się przejmować nadmierną utratą energii w naszym ciele. Często bowiem dostarczamy jej sobie aż nadto. ©
LICZENIE KALORII
System Atwatera pozwala określić ilość dostępnej w żywności energii, dzięki czemu na każdym produkcie spożywczym znajduje się tabela z informacją o kaloryczności żywności. Producenci nie spalają już swoich wyrobów w bombie kalorymetrycznej – stosują się po prostu do wzoru.
Zgodnie z nim od całkowitej energii produktu należy odjąć straty energii w kale i moczu, ponieważ część składników energetycznych nie zostaje zużyta i opuszcza nasz ustrój w niezmienionej postaci. Określenie tej straty wymagałoby żmudnych badań na ludziach i ich wydalinach. Atwater opracował w zamian współczynniki strawności dla podstawowych substratów (węglowodanów, tłuszczów i białek). Okazuje się jednak, że współczynnik strawności zależy nie tylko od składnika energetycznego, lecz także od rodzaju produktu żywnościowego, z którego pochodzi. Efekt ten jest nie do pominięcia. Dlatego w latach 70. XX w. zmodyfikowano system Atwatera: obok współczynnika strawności wprowadzony został współczynnik związany z rodzajem pożywienia. © BK
