• 2022 年 2 月 17 日
• 通过安吉本斯

https://www.science.org/content/article/scientist-busts-myths-about-how-humans-burn-calories-and-why

Herman Pontzer 在他用来测量二氧化碳的引擎盖和新陈代谢室中，这是一种衡量身体燃烧卡路里速度的指标。贾斯汀库克

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这个故事的一个版本出现在《科学》，第 375 卷，第 6582 期。

在 10 月一个温暖的星期三早晨，赫尔曼·庞策穿上一件皱巴巴的实验服，调整好他的面罩，然后走进他在杜克大学的实验室，希望能给一个学生带来压力。一个名叫克里斯蒂娜的本科生正躺在实验室的桌子上，她的头戴着一个透明的塑料罩。Pontzer 正式向她打招呼，并开始采用一种由来已久的方法来提高她的血压：他给她做口试数学测试。

“从数字 1022 开始，然后减去 13，直到你得到零，”他说，在空调叮当作响的情况下以最大音量说话。“如果你犯了错误，我们将重新开始。你准备好出发了吗？”

“1009、997，”克里斯蒂娜说。

“重新开始，”庞策咆哮道。

报名参加“压力测试”的克里斯蒂娜紧张地笑了起来。她再次尝试并到达 889，只是让 Pontzer 阻止了她。这种情况一次又一次地发生。然后庞策大声叫她用 505 乘以 117。此时，她正在紧紧握住穿着袜子的脚趾。

博士后 Zane Swanson 和本科生 Gabrielle Butler 监测她的心率以及她向引擎盖呼出多少二氧化碳 (CO ~2 )。~然后 Pontzer 提出了一系列旨在提高学生压力水平的问题：她梦想的工作是什么，毕业后她到底打算做什么？

这是Pontzer 实验室的另一天，他和他的学生在那里测量人们在压力、锻炼或对疫苗产生免疫反应等状态时消耗的能量。通过测量克里斯蒂娜呼吸中的 CO 2含量，他可以了解她在应对数学焦虑时消耗了多少能量。

44 岁时，庞策作为生物人类学家毕生的工作就是计算卡路里。不是为了减肥——身高 1.85 米，体重约 75 公斤（6 英尺 1 英寸和 165 磅），对跑步和攀岩充满热情，用网上的话说，他是“一个瘦到正常大小的家伙” Pontzer 2021 年出版的《*烧伤：新研究揭开我们如何真正燃烧卡路里、减肥和保持健康》*一书的审稿人。

Pontzer 很高兴在The Dr. Oz Show和 NPR上阐述减肥，但他真正的使命是了解人类如何在类人猿中独自拥有这一切，充满活力地说：我们有大大脑、漫长的童年、许多孩子们，长寿。支持这些特征所需的能量预算涉及他试图解开的权衡，即用于锻炼、繁殖、压力、疾病和重要功能的能量之间的权衡。

通过借用研究肥胖的生理学家开发的一种方法，Pontzer 及其同事系统地测量了各行各业的动物和人们每天使用的总能量。从他们的数据中得出的答案通常令人惊讶：平均而言，锻炼并不能帮助您燃烧更多的能量；非洲活跃的狩猎采集者每天消耗的能量并不比伊利诺伊州久坐不动的办公室工作人员多；在调整体重后，孕妇每天燃烧的卡路里并不比其他成年人多。

根据体重调整后，幼儿每天燃烧的卡路里最多。60 岁后总能量消耗 (TEE) 下降，尽管个体表现出一些差异（灰点）。

05010015020025001020304050607080Mean adjusted TEE90100AgeTEE (% of expected)（图表）C. BICKEL 和 N. DESAI/科学；（数据）H. PONTZER等人。,科学, 373, 6556 (2021)

Pontzer 作为普及者的技巧可以激怒他的一些同事。堪萨斯大学医学中心的运动生理学家 John Thyfault 说，他关于运动不会帮助你减肥的信息“缺乏细微差别”，他说这可能会促使节食者养成不太健康的习惯。

但其他人说，除了打破关于人类能量消耗的神话之外，庞策的工作为理解人类生理和进化提供了一个新的视角。正如他在Burn中所写，“在生活经济学中，卡路里就是货币。”

“他的工作是革命性的，”古人类学家莱斯利·艾洛 (Leslie Aiello) 说，他是温纳-格伦基金会 (Wenner-Gren Foundation) 的前任主席，该基金会资助了庞策的工作。“我们现在拥有数据……这为我们提供了一个全新的框架，让我们思考人类如何适应能量极限。”

PONTZER是两位高中英语老师的儿子，在宾夕法尼亚州克西小镇附近的阿巴拉契亚山上 40 公顷的树林中长大。他的父亲帮助建造了他们的房子，他教 Pontzer 对事物的运作方式和修复它们感到好奇。“从来没有人打电话给管道工或电工，”Pontzer 回忆道。

在 Pontzer 15 岁时父亲去世时，这些关于自给自足和外向天性的课程帮助他应对。一位年长的堂兄也带他攀岩，这教会了他既勇敢又井井有条——他后来说这些技能帮助他承担智力风险并挑战既定的想法。“当你有糟糕的经历而生活让你偏离轨道时，这很可怕，”Pontzer 说。“不过，你必须向前迈进，这教会你不要害怕新事物。”

Pontzer 申请了一所大学——宾夕法尼亚州立大学，这所大学的足球比赛是他童年的一大亮点。“我以为我会成为我的父亲——去宾夕法尼亚州立大学，获得我的教学学位，然后留在 Kersey，”他说。但是一旦在宾夕法尼亚州立大学，他与已故的著名古人类学家艾伦沃克一起工作，并发现自己正在考虑攻读生物人类学研究生。

在得知他有前途的学生会根据山的距离来选择学校后，沃克直言不讳：他告诉庞策，如果他不申请哈佛大学，他就是个白痴——一旦庞策被录取，如果他被录取，他就是个白痴。他没有去。

庞策走了。在 2000 年代初期，科学家们对人类的总能量消耗 (TEE) 知之甚少，即一个人的 37 万亿个细胞在 24 小时内燃烧的卡路里数（食品标签上的“卡路里”）。研究人员测量了我们身体在休息时燃烧能量的速率——基础代谢率 (BMR)，其中包括用于呼吸、循环和其他重要功能的能量。他们知道，根据体型调整后，大型哺乳动物的 BMR 大致相同。因此，尽管 BMR 仅占总能量使用量的 50% 到 70%，但研究人员认为，以公斤为单位，人类燃烧能量的速度与其他猿类大致相同。

但是人类有额外的能源消耗：我们的大脑，占我们每天能源消耗的 20%。Aiello 曾提出，我们的祖先通过进化出更小的内脏和其他器官来补偿这些昂贵的大脑。其他人认为人类通过进化为更有效地行走和跑步来节省能量。

在哈佛，庞策想测试这些想法。但他意识到没有足够的数据来做到这一点：没有人知道灵长类动物在移动时使用了多少总能量，更不用说解剖结构的差异或器官大小的权衡如何影响能量使用了。“我们谈到了人类的运动适应，我们谈到了效率、力量和力量，但它 [was] 都是虚构的，”Pontzer 说。

贾斯汀库克

他意识到他必须回到基础，测量人类和动物在跑步机上行走和跑步所消耗的卡路里。哺乳动物利用氧气将食物中的糖转化为能量，CO 2作为副产品。哺乳动物呼出的CO 2越多，它燃烧的氧气和卡路里就越多。

对于他的博士学位。在论文中，Pontzer 测量了狗和山羊在跑步和行走时呼出的 CO ~2量。~例如，正如他在 2007 年在圣路易斯华盛顿大学获得第一份工作后不久报告的那样，他发现腿长的狗在奔跑时消耗的能量比柯基犬少。他说，随着时间的推移，“最初是一个测量人类、狗和山羊步行和跑步成本的无辜项目，后来发展成为一种对测量能量消耗的职业痴迷。”

Pontzer 仍然测量呼出的 CO 2以获取在特定活动中燃烧的卡路里，就像他对 Christina 的压力测试所做的那样。但他发现生理学家已经开发出一种更好的方法来测量一天内的 TEE：双标水法，这种方法测量 TEE 时无需要求受试者整天对着通风橱呼吸。

现在威斯康星大学麦迪逊分校的生理学家 Dale Schoeller 已经将这种最初用于老鼠的方法应用于人类。人们喝一种无害的标记水鸡尾酒，其中氢和氧的不同同位素取代了常见的形式。然后研究人员在 1 周内多次采样他们的尿液。标记的氢气通过身体进入尿液、汗液和其他液体，但是当一个人燃烧卡路里时，一些标记的氧气会以 CO 2的形式呼出。因此，尿液中标记的氧气与标记的氢气的比率可以衡量一个人的细胞平均每天使用多少氧气，从而衡量燃烧了多少卡路里。该方法是总能量使用的黄金标准，但每次测试的成本为 600 美元，并且对于大多数进化生物学家来说是遥不可及的。

Pontzer 使用该方法取得的许多突破中的第一个是在 2008 年，当时他从 Wenner-Gren 基金会获得了 20,000 美元，有机会在当时位于爱荷华州的庇护所和研究中心 Great Ape Trust 收集尿液样本。在那里，灵长类动物学家 Rob Shumaker 将添加了同位素的无糖冰茶倒入四只猩猩的嘴里。Pontzer 担心从成年猿身上收集尿液，但 Shumaker 向他保证，猩猩被训练在杯子里撒尿。

那年秋天晚些时候，当 Pontzer 得到尿液结果时，他并不相信：猩猩燃烧的能量是它们体型哺乳动物预期能量的三分之一。重新测试得出了相同的结果：例如，体重 113 公斤的成年男性 Azy 每天燃烧 2050 卡路里，远低于 113 公斤的男性通常燃烧的 3300 卡路里。“我完全不相信，”庞策说。他认为，红毛猩猩可能是“猿族树上的树懒”，因为它们在过去长期遭受食物短缺的困扰，并且已经进化到每天只摄入更少的卡路里。

随后对圈养和保护区中类人猿进行的双重标记水研究打破了一致观点，即哺乳动物在调整体重后具有相似的代谢率。在类人猿中，人类是异类。Pontzer 及其同事在 2016 年在*《自然》杂志*上报道说，根据体重调整后，我们每天燃烧的能量比黑猩猩和倭黑猩猩多 20%，比大猩猩多 40%，比猩猩多 60% 。

与其他类人猿相比，人类每天燃烧的能量要多得多，而且以脂肪的形式储存的能量也多得多。我们的总能量消耗 (TEE) 包括我们的基础代谢率 (BMR) 以及包括运动在内的其他活动。

0102030500100015002000250030003500HumanChimpanzeeGorillaOrangutanMalesFemalesFat mass (kilograms)Physical activity and other tasks (kilocalories/day)BMR (kilocalories/day; not measured for gorilla)TEE (kilocalories/day)Fat (kilograms)TEE error barHumanChimpanzeeGorillaOrangutan（图表）C. BICKEL 和 N. DESAI/科学；（数据）H. PONTZER等人。,自然, 533, 390 (2016)

Pontzer 说体脂的差异同样令人震惊：男性人类的脂肪含量是其他雄性猿类的两倍，女性是其他雌性猿类的三倍。他认为我们的大量脂肪随着我们更快的新陈代谢率而进化：脂肪燃烧的能量比瘦组织少，并提供燃料储备。“我们的新陈代谢引擎不是经过数百万年的进化而制造出来的，以保证海滩上的比基尼身材，”庞策在Burn中写道。

然而，我们比其他猿类更快地将食物和脂肪转化为能量的能力带来了重要的回报：它每天为我们提供更多的能量，这样我们就可以为我们的大脑提供燃料，并在漫长而精力充沛的童年时期喂养和保护后代。

Pontzer 认为典型的人类行为和解剖特征有助于我们维持加速的新陈代谢。例如，与其他猿类相比，人类通常与其他成年人分享更多的食物。共享食物对团队来说更有效，并且会给早期人类提供一个能源安全网。我们的大脑创造了一个积极的反馈循环。他们需要更多的能源，但也让早期人类有智慧去发明更好的工具、控制火、做饭，以及以其他方式获得或节省更多能源。

PONTZER于 2010 年前往坦桑尼亚研究哈扎族狩猎采集者的能量预算时，学到了食物分享的价值。他注意到的第一件事是哈扎人使用“za”这个词的频率，意思是“给予”。这是所有哈扎人小时候学习的神奇词，可以让某人与他们分享浆果、蜂蜜或其他食物。这种分享有助于所有哈扎人活跃起来：哈扎妇女在狩猎和觅食时，每天步行约 8 公里；男性，14 公里——比一个典型的美国人 1 周步行还多。

为了了解他们的能量消耗，Pontzer 询问 Hadza 人是否会喝他的无味水鸡尾酒并提供尿液样本。他们同意了。他几乎无法为这项研究获得资金，因为其他研究人员认为答案很明显。“每个人都知道哈扎人的能量消耗非常高，因为他们非常活跃，”他回忆道。“除非他们没有。”

个别哈扎人的活动天数越来越少，有些人燃烧的卡路里比平均水平多或少 10%。但是，根据脱脂体重调整后，Hadza 男性和女性平均每天消耗的能量与美国以及欧洲、俄罗斯和日本的男性和女性相同，他在 2012 年的PLOS ONE上报道. “当你考虑到身体活动的差异时，你会感到惊讶，”Schoeller 说。

芝加哥洛约拉大学的流行病学家艾米·卢克对此并不感到惊讶。她已经通过双重标记的水研究得到了类似的结果，表明西非的女性农民每天使用的能量与芝加哥女性的无脂肪体重相同——对于一个 75 公斤的女性来说，大约是 2400 卡路里。卢克说她的工作并不为人所知——直到庞策的论文引起轰动。从那以后，两人一直合作。

Pontzer 的前博士后、贝勒大学的 Sam Urlacher 说，无论是在社交媒体上还是为普通读者写作，庞策“非常擅长推销大创意”。“这激怒了一些人，但他并不害怕被证明是错误的。”

对其他狩猎采集者和觅食者群体的研究证实，哈扎人并非异常。Pontzer 认为，狩猎采集者的身体会通过在其他看不见的任务上消耗更少的卡路里来适应更多的活动，例如炎症和压力反应。“哈扎人的身体活动并没有增加每天燃烧的卡路里，而是改变了他们消耗卡路里的方式，”他说。

他通过对另一个团队对受过半程马拉松训练的久坐女性的研究数据的新分析来支持这一点：经过数周的训练，与开始训练前相比，每周跑 40 公里时，她们每天消耗的能量几乎没有增加。在另一项针对马拉松运动员的另一项研究中，他们每周 6 天，连续 140 天每天跑 42.6 公里，Pontzer 和他的同事发现，随着时间的推移，跑步者消耗的能量逐渐减少——在比赛结束时每天消耗 4900 卡路里的热量。开始时6200卡路里。

Pontzer 说，随着运动员在数周或数月内跑得越来越多，他们的新陈代谢引擎会在其他地方减少，以便为额外的运动成本腾出空间。相反，如果你是一个沙发土豆，你每天可能仍会消耗几乎一样多的卡路里，从而为你的身体留下更多的能量用于压力反应等内部过程。

我们的新陈代谢引擎并非经过数百万年的进化而打造，以保证海滩上的比基尼身材。

• 赫尔曼庞策
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• 杜克大学

这是 Pontzer 的“最有争议和最有趣的想法”，哈佛大学古人类学家 Daniel Lieberman 说，他是 Pontzer 的论文顾问。“今天早上我跑了大约 5 英里；我跑了大约500卡路里。在一个非常简单的模型中，这意味着我的 TEE 会高出 500 卡路里。……根据 Herman 的说法，更活跃的人的 TEE 并没有你预测的那么高……但我们仍然不知道为什么或如何发生这种情况。”

Pontzer 的研究结果对想要减肥的人产生了令人沮丧的影响。“你无法通过锻炼来摆脱肥胖，”中国科学院的进化生理学家约翰·斯皮克曼说。“这是那些拒绝死亡的僵尸想法之一。” 该研究已经在影响营养和减肥的饮食指南。例如，英国国家食品战略指出“你不能摆脱不良饮食”。

但 Thyfault 警告说，消息可能弊大于利。他说，锻炼的人首先不太可能增加体重，而那些在节食的同时锻炼的人往往能更好地减轻体重。他说，运动还可以影响脂肪在身体上的储存位置以及患糖尿病和心脏病的风险。

Pontzer 同意锻炼对身体健康至关重要：活跃且适合 70 多岁和 80 多岁的哈扎人不会患糖尿病和心脏病。而且，他补充说，“如果锻炼可以减轻压力反应，那么这种补偿是一件好事。” 但他说误导节食者是不公平的：“运动可以防止你生病，但节食是你控制体重的最佳工具。”

与此同时，Pontzer 正在为其他惊喜奠定基础。去年，他和 Speakman 共同领导了一项努力，以组建一项非凡的新资源，即国际原子能机构双标水数据库。这包括现有的对 8 天至 95 岁的近 6800 人进行的双重标记的水研究。

他们使用该数据库对人类生命周期内的能源使用进行了首次综合研究。一个流行的假设再次受到威胁：青少年和孕妇的新陈代谢较高。但庞策发现，蹒跚学步的孩子才是动力。新生儿的新陈代谢率与怀孕的母亲相同，在调整体型后与其他女性没有什么不同。但是在 9 到 15 个月大的时候，根据体型和脂肪进行调整后，婴儿一天消耗的能量比成年人多 50%（见上图）。这可能会促进他们不断增长的大脑，也许还会发展免疫系统。发表在《科学》杂志上的研究结果有助于解释为什么营养不良的婴儿可能会出现发育迟缓。

根据体型调整后，儿童的新陈代谢保持高水平，直到 5 岁左右，然后开始缓慢下降，直到 20 岁，并在成年后稳定下来。人类在 60 岁时开始使用更少的能量，到 90 岁时，老年人的使用量比中年人少 26%。

Pontzer 现在正在探究他对运动员的研究中出现的一个谜团：我们的身体每天可以燃烧多少卡路里似乎是有一个硬性限制，这取决于我们消化食物并将其转化为能量的速度。他计算出一个 85 公斤重的人每天摄入的热量上限约为 4650 卡路里。

斯皮克曼认为这个限制太低了，并指出 1980 年代和 90 年代环法自行车赛的骑手超过了它。但他们将脂肪和葡萄糖直接注入血液中，Pontzer 认为这种做法可能帮助他们绕过了将食物转化为能量的生理限制。Pontzer 说，正如对马拉松运动员的研究表明，精英运动员可以在几个月内突破极限，但不能无限期地维持下去。

为了了解身体如何在不破坏能量极限的情况下进行剧烈运动或抵抗疾病，Pontzer 和他的学生正在探索身体如何抑制其他活动。“我认为我们会发现这些调整可以降低炎症，降低我们的压力反应。我们这样做是为了使能源账簿保持平衡。”

这就是为什么他想知道克里斯蒂娜在实验室里烤她时消耗了多少能量。测试结束后，克里斯蒂娜说她“肯定有压力”。随着这一过程的进行，她的心率从每分钟 75 到 80 次上升到 115 次。她的能量消耗从每分钟 1.2 千卡增加到每分钟 1.7 千卡。

“她在数学测试中每分钟多消耗 40% 的能量，在面试中多消耗 30%，”Pontzer 说。“想想任何其他可以将你的能量提高约 40% 的过程。”

他希望像她这样的数据点将有助于揭示精神压力的隐藏成本。测量压力和免疫反应如何增加能量使用可以帮助揭示这些无形的活动如何在我们的日常能量预算中叠加和权衡。Pontzer 知道他的工作已经完成。“在我们能够展示如何拉动杠杆以对能源使用进行这些调整之前，人们总是持怀疑态度。我们有责任进行下一代实验。”

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