Витамания. История нашей одержимости витаминами

Связь между человеческим метаболизмом и химическими реакциями с выделением тепла (включая, между прочим, и работу паровых двигателей) впервые была отмечена в XIX веке. Французский химик Антуан Лавуазье — поистине выдающийся ученый, но, к сожалению, его научная карьера оказалась короткой и трагически оборвалась: его обезглавили во время Великой французской революции. В одном из своих наиболее известных экспериментов Лавуазье посадил морскую свинку в камеру, обложенную льдом, и измерил количество тепла и двуокиси углерода, выделенных подопытным животным. Затем он в точности вычислил количество угля, которое нужно было сжечь в той же ледяной камере, чтобы выделилось такое же количество двуокиси углерода, которое он определил для этой бедной окоченевшей от холода морской свинки, и установил, сколько при этом горении выделилось тепла. Оказалось, что количество тепла от лампы было равным количеству тепла от свинки. Это позволило Лавуазье сделать единственно правильный вывод: обмен веществ в организме подобен медленному сжиганию угля. Исходя из этого можно легко вычислить количество энергии, содержащееся в определенном объеме пищи: требовалось просто сжечь ее и измерить выделившееся тепло.

Итак, калория стала универсальной единицей измерения, и вдобавок у исследователей появился «универсальный опыт» — по примеру морской свинки Лавуазье. В результате в конце XIX века все активно принялись за составление таблиц с содержанием калорий (то есть количества энергии) в различных продуктах. Достаточно было поместить определенное количество продукта в так называемый бомбовый калориметр (герметично запечатанный контейнер в емкости с водой) и затем сжечь этот продукт. Соответствующее повышение температуры воды показывало, сколько калорий содержалось в сожженном продукте [118] . Вряд ли сегодня кто-либо из нас, глядя на печенье, калорийность которого составляет сто калорий, прикидывает про себя: «Если я съем это печенье, то получу такое количество энергии, которое необходимо для превращения куска льда весом один килограмм в пар». Тем не менее в техническом плане это совершенно верно [119] .

118

Painter, Jim. How Do Food Manufacturers Calculate the Calorie Count of Packaged Foods? Scientific American, July 31, 2006. http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=how-do-food-manufacturers.

119

Из электронной переписки с Гаем Кросби, научным редактором издания America’s Test Kitchen и адъюнкт-профессором Гарвардской школы здравоохранения, от 6 мая 2013 года.

Конечно, измерить общее количество энергии, содержащейся в продукте, вовсе не означает раскрыть ее источник, точно так же как, измерив температуру пламени, вы не узнаете, что именно в нем горит. Следующим этапом исследований должно было стать разделение пищи на составляющие ее макронутриенты и изобретение способов изучать каждый из них по отдельности. Однако в данном случае от ученых требовалось принципиально новое отношение к пище — не как к общему хранилищу энергии, а как к сочетанию химических компонентов, каждый из которых содержит определенное количество калорий. Перспективы, которые открывал подобный взгляд, не только заложили фундамент для последующих экспериментов по получению химически чистых витаминов, но и сформировали новый подход, которого мы придерживаемся до сих пор.

Впервые концепцию макронутриентов сформулировал в 1827 году британский физиолог, впоследствии увлекшийся химией, Уильям Праут. По его гипотезе, пища состоит из трех энергетически ценных «столпов жизни», сегодня известных как белки, жиры и углеводы. Французский физиолог Франсуа Мажанди, в свою очередь, предположил, что каждый из «столпов жизни» Праута выполняет в организме свою функцию, а в 1843 году знаменитый немецкий химик Юстус фон Либих опубликовал фундаментальный труд Animal Chemistry («Биохимия животных»), в котором описал эти функции.

Либих был чрезвычайно влиятельным ученым, добившимся впечатляющих успехов в самых различных областях химии. Именно он первым определил азот как основной питательный элемент для растений (тем самым сформировав предпосылки для создания азотных удобрений) и занялся получением питательных экстрактов, которые впоследствии превратились в столь популярные бульонные кубики. И хотя сам Либих никогда не занимался экспериментами в области питания человека, он накопил достаточно материала для теоретических выкладок, основанных на наблюдениях за питанием растений. Поскольку растениям требуется азот, а единственным макронутриентом, содержащим азот, является белок, Либих пришел к выводу, что белок, или протеин, является таким же важным нутриентом для людей (само слово «протеин» образовано от греч. proteios — «первостепенной важности»), предположительно участвует в строении и обновлении тканей организма и служит источником энергии для мышц [120] . В отношении углеводов и жиров Либих объявил, что они участвуют лишь в выделении телесного тепла, но не могут быть использованы как топливо для мышечной работы. Якобы поэтому у эскимосов так много жира: им требуется много тепла, чтобы согреться [121] .

120

Katch, Frank. Sportscience History Makers — Liebig. SportSci.org, November 3, 1998. http://www.sportsci.org/news/history/liebig/liebig.html.

121

University of Missouri. Liebig’s Dietetic Trinity: Food Revolutions: Science and Nutrition, 1700–1950.Brock, William H. Justus von Liebig: The Chemical Gatekeeper. Cambridge: Cambridge University Press, 2002, p. 184.

Хотя Либих верно предположил, что белки участвуют в строительстве и обновлении тканей организма, его теория об их энергетической роли оказалась ошибочной: получалось, что для движения наш организм, своего рода автомобиль, использовал один вид топлива, а для обогрева — другой. Теперь мы точно знаем, что универсальным источником энергии для мышц являются углеводы и что организм выделяет тепло независимо от того, какой вид топлива в нем сжигается [122] . Хотя наука подтверждает утверждение Либиха о взаимозаменяемости форм различных макронутриентов (действительно, белок есть белок, и неважно, из какого источника он получен), еще мы знаем и о том, что белки, жиры и углеводы, в свою очередь, могут разлагаться на подъединицы (например, заменимые и незаменимые аминокислоты, или крахмал и сахара, или насыщенные и омега-3 жирные кислоты) и что каждая из этих первичных форм по-своему воздействует на наш обмен веществ, причем многие нюансы этого воздействия и по сей день остаются невыясненными.

122

Brock, William H. Justus von Liebig: The Chemical Gatekeeper. Cambridge: Cambridge University Press, 2002, р. 213.

И все же, несмотря на ошибочность, гипотезы Либиха имели бесспорный положительный эффект, а именно дали толчок бурному развитию химии, посвященной нашему питанию. То есть ученый достиг той самой цели, которую ставил перед собой и которую указал в предисловии к «Биохимии животных». «Моей задачей… является привлечь внимание к тем областям, где пересекаются интересы химии и физиологии, чтобы заставить работать сообща эти две отрасли науки, — писал он. — И если хотя бы одна из гипотез или теорий, приведенных мною в этой работе, подтвердится и принесет пользу в дальнейшем, я буду считать, что достиг своей цели. Ибо каждый новый путь открывает новые возможности, так что наука всегда будет поступательно двигаться вперед» [123] .

123

Brock, William H. Justus von Liebig: The Chemical Gatekeeper. Cambridge: Cambridge University Press, 2002, р. 214.

И новые пути действительно находились — как раз на стыке химии и физиологии, упомянутом Либихом. Уже в 1880-х годах ряд немецких ученых, которые специализировались на питании, вдохновленные идеями Либиха, приступили к исследованиям, которые закрепили за Германией статус столицы нутрициологии и в итоге привели к открытию витаминов [124] .

В числе прочего немецкие исследователи не ленились пользоваться бомбовым калориметром для измерения энергетической емкости все новых и новых продуктов. Затем, вооружившись полученными данными, они пошли дальше и с помощью техники экспресс-анализа принялись выяснять химический состав этих продуктов.

124

Это такие ученые, как Макс фон Петтенкофер (1818–1901), ученик Либиха Карл фон Войт (1831–1908) и Макс Рубнер (1854–1932).

В техническом экспресс-анализе, который в усовершенствованном виде ученые используют и по сей день, жиры экстрагируются с помощью других жиров или иных растворителей, и затем измеряется их количество. Количество белка вычисляется по количеству содержащегося в продукте азота. Оставшаяся часть — это углеводы. Экспресс-анализ полезен еще и тем, что позволяет узнать, какая часть продукта сгорела с выделением энергии. К примеру, чтобы определить содержание воды, ученые высушивают продукт и вычисляют разницу его начальной и конечной массы. Чтобы узнать количество минеральных веществ (роль которых в метаболизме еще не до конца ясна), они сжигают продукт в тигельной печи и взвешивают оставшуюся золу. (Минералы как неорганические элементы не содержат углерода и поэтому не горят.) {13}

13

Минералы — это химические элементы сами по себе, например кальций, или железо, или натрий. Витамины же — это органические вещества, которые состоят более чем из одного элемента, в состав их молекулы входит углерод, и вырабатываются они живыми организмами.

Работа, проделанная этими учеными, весьма и весьма впечатляет, особенно если вспомнить, что существует шесть основных классов нутриентов (компонентов пищи) — белки, углеводы, жиры, вода, минералы и витамины — и был найден способ определить содержание в конкретном продукте каждого из них, за исключением последнего. Дело в том, что в молекулах витаминов содержится углерод, и в результате они сгорали с остальными макронутриентами в бомбовом калориметре. И хотя ученые давно догадывались о существовании витаминов, технический уровень оборудования был недостаточен, чтобы их обнаружить. Ведь в пище витамины содержатся в таких ничтожно малых пропорциях, что даже современные ученые часто вынуждены прибегать к непрямым методам детекции — скажем, путем измерения скорости роста и размножения бактерий, о которых известно, что они зависят от определенного витамина, — нежели определять их количество напрямую.

Не принимая во внимание тот факт, что они могли что-то упустить, немецкие ученые на основе своих исследований составили подробные таблицы содержания белков, жиров, углеводов, воды и минералов в том или ином продукте, то есть, по сути, создали прообраз современных диетологических баз данных. Однако в то время такие таблицы были понятны исключительно специалистам, и вдобавок они не покидали территории Германии. Ни один средний американский обыватель понятия не имел о каких-то там калориях, не говоря уже о белках, жирах и углеводах. Но этому скоро пришел конец. Благодаря работам химика Уилбура Олина Этуотера, наше отношение к еде изменилось навсегда.