熱力學定律能指導我們減肥嗎?計算「卡路裡」並不科學

1.

一些營養專家稱，並不是所有的卡路裡都是等價的，因為人體從不同的食物中提取能量的方式是不同的。在這個領域中存在這樣一種擔憂，那就是，基於熱力學第一定律而制定的飲食建議是不恰當的。

這類說法遭到了許多人的反對，一些研究新陳代謝的人表示，他們用實驗證明了食品包裝上的卡路裡含量（熱量）可以正確地詮釋食品之間的差異。

這兩大陣營都認為，熱力學在飲食科學中有著不好的名聲，這主要拜某些所謂的減肥神話所賜；但他們存在分歧的是，這一名聲是否「名副其實」。

2.

今年年初，在英國舉辦了一場關於關於食品製造的物理學研討會。在研討會上，營養治療學家Andrew Preece發表了一篇題為《熵、熱力學第二定律和為什麼『一卡路裡可能並非就是一卡路裡』》的演講，他傳遞的信息是不同食物的卡路裡也許是不等價的。

Preece曾是物理學家出身，他解釋說，兩顆西蘭花和一塊巧克力差不多擁有一樣的熱量，但它們對體重的影響並不相同。他指出，那些基於熱量計算和能量守恆所制定的營養建議，忽略了不同熱量之間的這種不等價。

而反對的聲音說：「一卡路裡當然就是一卡路裡。」說這句話的是同樣是物理學家出身的Kevin Hall，他通過數學建模和設計實驗來研究新陳代謝和體重調節等問題。

Hall承認，不同的宏量營養素（如脂肪和碳水化合物）對身體的確具有不同的影響，但他強烈反對Preece的說法。他認為，對於兩種卡路裡含量相同的食物來說，如果不考慮那些被轉化為脂肪存儲的熱量，而只考慮身體燃燒的熱量，那麼無論脂肪或碳水化合物的含量為何，它們的熱量都是一樣的。

在一些實驗中，Hall給受試者吃熱量相同但碳水化合物和脂肪含量不同的食物，結果發現人體幾乎燃燒了相同的能量。這些實驗結果也符合他模型的預測。這些結合了熱力學在內的數學模型，能解釋人體中的各種與食物消耗有關的代謝反應。

他們還基於模型在實驗室中設計出了複製實驗，使不同的反應途徑都可以用放射性示蹤劑進行監控，從而使研究人員能準確地確定代謝途徑和能量消耗會如何隨飲食成分的變化而變化。

3.

面對這兩種聲音，我們可能需要探尋的一個問題是：熱力學定律適用於人體嗎?

乍看之下，熱力學定律好像並不適用於模擬人體內部的能量流動，因為人體不是一個封閉的孤立系統。有生物學家認為，生物體並沒有處於均衡狀態。按照這種思路，「一卡路裡並非就是一卡路裡」的觀點似乎是行得通的。

比如生物化學家Richard Feinman就認為，即使不同的宏量營養素需要使用相同的總能量來完成氧化途徑，它們仍然會產生不同的功和熱量，因此它們的卡路裡含量是不等效的。

但反對者則認為，那些為確定食物的卡路裡含量而進行的人類餵養實驗，會考慮人體如何處理不同的宏量營養素的變化。從事新城代謝與營養研究的Dale Schoeller就表示，食品包裝上所標註的那些卡路裡數字雖然會因新陳代謝的不同而出現微小的個體差異（幾個百分點左右），但這些數據基本上是精確的。

在Hall的實驗中，通過測量所有的能量輸入和輸出、熱量的產生以及所做的功，可以有效地將身體視為一個封閉系統。雖然這些途徑非常複雜，但如果能正確地測量它們並用模型來加以解釋，那麼就可以說熱力學定律是適用人體這一特殊系統的了。

東京工業大學的物理學家Marko Jusup認為，熱力學定律完全適用於生物體。他創建了許多用於描述生物和生態難題的模型，從瘧疾的傳播到金槍魚的生長，都是他所研究的對象。例如他的金槍魚生命模型就利用熱力學中的熱量平衡理論，成功地預測了金槍魚從胚胎到成魚的生長和繁殖速度。

4.

雖然Jusup認為熱力學定律當然是適用於人類的，但他也承認，在使用這些定律進行預測時需要非常謹慎。他認為，用這種方法來制定飲食建議，就好比是拿我們日常的鐘表去計量毫秒。也就是說，當我們將熱力學定律用到減肥問題上時，就可能會導致疑問。

「3500卡路裡規則」就是一個典型的例子。這是一種常出現於減肥網站上的概念，它說的是如果你在飲食上每減少3500卡路裡，就可以減掉大約1磅（450克）的身體脂肪。但是，這個數據與實際情況並不相符，導致許多人開始質疑任何以能量守恆為基礎的營養模式或減肥模式。

其實，「3500卡路裡」是一種比較草率的說法。1958年，美國醫生Max Wishnofsky計算出，在一磅脂肪組織中所儲存的能量大約是3500卡路裡，然後他稱如果人們想要減掉一磅脂肪的話，那麼這3500卡路裡就是應該削減的。

但這種說法存在兩個問題。首先，這個計算假設了只有當你體重下降時脂肪才會消失，而這是不對的；其次，它假設身體的能量消耗能保持不變，然而研究卻表明，當你的身體更輕時，身體會通過燃燒更少的卡路裡來適應新的身體狀態。也就是說，你必須得不斷地減少越來越多的卡路裡才能減掉更多的一磅。

而這種「減肥定律」之所以在全球受到如此大的歡迎，很可能是因為它聽上去很簡單，很容易被記住。而且在幾周的時間尺度上，它所呈現出的減肥效果大致是符合預期的。如果要利用熱力學概念來制定營養或減肥計劃，我們需要更全面的測試卡路裡的工具，以幫助人們預測在達到目標體重之前，到底需要削減多少卡路裡的攝入。

《消失的動物——滅絕動物的最後影像》