Likan Zhan

减肥的科学和科学的减肥

侃侃迩行 · 2017-05-19

1. 肥胖的危害

肥胖几乎会增加所有非传染类疾病的患病风险,如 2 型肥胖症、心脏病、中风、多种癌症等。综合来看,肥胖将使人的寿命减少十四年。肥胖还会降低个体的免疫能力、深度睡眠能力等。目前世界上肥胖人口高达 6 亿,占世界人口的 13%。该比例比 1980 年整整翻了一番。就美国而言,目前美国肥胖人口高达 37%,另有 34% 的人处于超重状态。如果照目前的趋势继续下去,到 2030 年美国的肥胖人口将达 50%。

那么是什么原因导致了肥胖,而如何用科学的方法解决肥胖问题呢?与物理学界的能量守恒定律相似,肥胖的产生是因为机体摄入的能量超出了机体健康和正常运转所需的能量。而成功减肥也很简单,即让机体实际摄入的能量少于机体运转实际所需的能量。

2. 人体所需能量

要解决肥胖的问题,首先要确定机体实际所需的能量水平。食物是人类获得能量的途径。但是为了使用食物中保存的能量,人体首先要经过分解或新陈代谢过程把食物转化为能被机体使用的能量形态。该能量形态对于人类个体,就像汽油对于汽车。个体吸入氧气的作用则是帮助机体燃烧吸收的能量,以使机体处于正常的健康和活力状态。如果机体吸收的能量超过了机体所需要的数量,那么这些没被立即使用的能量将以脂肪的形式存储在肝脏里。如果剩余脂肪量大到肝脏也无法存储了,那么它将可能被存在于身体的任何部位。这将导致个体体重的增加。

基于上述能量吸收和使用过程,研究者确定个体实际所需能量多少的第一种方法是让个体在一个专门化的实验室种生活两周。研究者通过控制个体实际摄入能量的多少,并观察其对个体体重变化的影响。进而研究者能确定一个使个体体重保持不变的能量摄入水平。该水平即为个体实际需要的能量水平。另外,新陈代谢需要吸入氧气并产出二氧化碳等废弃物。所以确定个体所需能量多少的另一个方法是把被试放置在一个密封的房间中,并记录个体吸入的氧气和呼出的二氧化碳水平。通过这些测量,研究者也能确定个体的基本能量需求。

确定个体所需能量水平的另一种较为可行的方法是双标记水技术 (doubly labeled water, DLW)。 该方法是让被试饮用含有少量完全无害无放射性的同位素重氢 (deuterium, \(^2H\)) 和氧 18 \(^{18}O\))的水。在饮用双标水一到两周后,个体的尿液中就会排泄出饮用的重氢和部分的氧 18(另外一部分氧18会以二氧化碳的形式排出)。研究者通过采集个体的尿液样本,并计算被试需要多久才能把体内的同位素排出体外。用这些数据,研究者就可以在不干扰被试正常的作息习惯的前提下计算出个体所需能量的多少。

通过双标水技术,研究者发现个体保持健康和活力所需要的热量并不是特别多。一名成年男性一天大约需要 2500 卡路里的热量,而成年女性大约需要 2000 卡路里的热量。而每天多摄入 50 - 100 卡路里热量,即一到两个小饼干所含的热量,将导致个体一年增加一到三公斤。当代美国人每天摄入热量的数量比 1979 年多了 500 卡路里。这在十年期间将导致美国人体重平均增加十到三十公斤。

3. 食物种类

另外机体从不同食物中提取能量的效率是不一样的, 所以不同食物对长胖的影响也是不一样的。例如营养学专家威尔伯•阿特沃特 (Wilbur Atwater) 发现人类个体仅能从 1 克蛋白质或碳水化合物中提取 4 卡路里热量,但能从 1 克脂肪中提取 9 卡路里的热量,这就是大家所熟知的阿特沃特因素 (Atwater factors)。

当然,个体摄入的食物并不是以纯粹的蛋白质、碳水化合物、或脂肪的形式出现,而是其不同水平的组合出现的。如三文鱼包含蛋白质和脂肪。苹果包含碳水化合物和纤维。牛奶包含脂肪、蛋白质、碳水化合物、和大量的水。研究发现,食物的物理特征和组成成分极大影响了机体从相关食物中消化和吸收能量的效率。例如,个体能从完整的杏仁中提取的能量仅为其包含能量的三分之一,但当把杏仁磨成粉末后,个体就能吸收其包含的全部能量了。

另外有研究发现,个体对全麦、燕麦和高纤维谷物类的消化吸收率也远比我们之前认为的低。新近一项研究中,研究者把被试随机分为两组,第一组吃全麦食品,第二组吃正常食品。对食物成分的分析发现,全麦食品包含大约 30 克的可消化纤维,而正常食品含有可消化纤维的数量大约为 15 克。结果发现,全麦被试大便中剩余的卡路里数量显著高于非全麦组。而这一热量吸收率的差异将导致非全麦组比全麦组被试每天多摄入 100 卡路里的数量。 经过长时间的积累,这将对被试体重产生长远的影响。

4. 能量的消耗

能量守恒定律的另一个要求是机体要消耗掉摄入的多余能量。这也就是运动减肥理论主要的理论依据,因为体育运动能燃烧机体大量的剩余能量。但是新近研究发现,体育运动所消耗的能量仅占机体所需能量的 1/3。而机体的基础代谢 (basal metabolism,机体在休息状态下所需的能量) 所消耗的能量则占机体所需总能量的 2/3。有趣的是,基础代谢中消耗能量最多的部位是大脑和某些内脏器官,如心脏和肾脏,而不是骨骼肌肉,虽然力量训练能从某种程度上提升机体的基础代谢率。如果你正在积极减肥中,那么你日均需要的卡路里数量会随着体重的降低而减少。该现象的一个后果是你体重下降的速度会逐渐变慢。如果你的体重达到了一个较低水平的稳定状态,那么此时体育锻炼的效果可能是比较明显的,因为它可以通过提高机体燃烧能量数量的方式进一步降低你的体重。

另外基础代谢率在不同个体间或统一个体的不同年龄段之间的差别还是非常明显的。从历时角度看,个体的基础代谢率会随着年龄的增长而放缓,即年长者维持机体正常运转所需的能量要比年轻人少。从横向角度看,基础代谢率在不同个体间也是存在显著差异。例如一项样本为 130 人的研究发现,个体日均代谢率的差异就可高达 500 卡路里。

5. 大脑的作用

上面讨论的阿特沃特因素 (Atwater factors) 和代谢率并不能完全解释个体体重变化的规律。因为越来越多研究发现,大脑所创造的饥饿感和对食物的渴望实际上决定了我们摄入食物的多少。所以找到合适的方法控制个体的饥饿感将有利于控制个体的体重。 一项研究中,研究者把被试分为两组。实验组被试的食物为高蛋白、高纤维和低血糖指数 (glycemic index) 的食物,如鱼、豆角、苹果、蔬菜、烤鸡、小麦粒等;控制组被试不作要求。结果发现,六个月后实验组被试平均体重降低了 8 公斤,而控制组被试体重则增加了 0.9 公斤。当研究者用脑成像仪器记录被试看一系列食物图片时。实验组被试奖赏中枢对低血糖指数食物的喜好程度出现了明显的增加,而对高血糖指数食物如法式炸薯条、炸鸡、巧克力糖和其他高脂肪食物的喜好程度则有了显著降低。这说明实验组被试对高血糖食物的喜好度也有了显著降低。另外一项总结性研究发现,富含蛋白质和纤维食物,或不导致血糖迅速升高的食物,将更有利于控制饥饿感。一份高血糖指数早餐比一份低血糖指数早餐多产生高 29% 的饥饿感。

6. 个体差异

另外不同减肥方法对不同个体的作用也是不一样的。例如有研究发现, 肥胖症患者经常会产生胰岛素抵抗(insulin resistance),即个体的脂肪细胞、肌肉细胞、肝脏细胞等对正常浓度的胰岛素产生反应不足的现象,亦即机体细胞需要更高的胰岛素浓度才能对胰岛素产生反应。胰岛素抵抗将会导致一系列其他的代谢问题,如提高心脏病风险。有项研究中,研究者通过六个月的体重控制,发现高蛋白、高纤维、低碳水化合物、低血糖指数的食物对于降低高胰岛素抵抗被试的体重有显著的作用。但是该类食物对于降低低胰岛素抵抗被试体重的作用则不是特别明显。

7. 参考文献

Roberts, S. B., & Das, S. K. (2017). The Messy Truth about Weight Loss. Sci Am, 316(6), 36-41. doi:10.1038/scientificamerican0617-36