Харчування: як їжа стає енергією, ростом і здоров’ям

Що насправді означає харчування

Харчування — це сукупність біохімічних і фізіологічних процесів, за допомогою яких живий організм використовує їжу та воду, щоб підтримувати життя. Їжа постачає поживні речовини: речовини, які тіло розщеплює, щоб вивільнити енергію, використовує як сировину для побудови й відновлення своїх тканин або потребує в невеликих кількостях, щоб його хімічні реакції не зупинялися. Кожен удар серця, кожна думка і кожна волосинка, що росте, залежать від молекул, які колись потрапили в організм разом із їжею.

Харчування — це більше, ніж просто їсти. Воно охоплює весь шлях їжі: вибір і споживання, перетравлення на дрібніші частинки, всмоктування цих частинок у кров, перенесення їх до клітин і, нарешті, використання в обміні речовин, або метаболізмі, — мережі хімічних реакцій, що підтримує життя клітини. Наука, яка вивчає все це, називається наукою про харчування. Вона спирається на хімію, біологію та медицину і, хоча охоплює всі види організмів, здебільшого досліджує харчування людини.

Ключова ідея — рівновага. Поживну речовину називають незамінною, якщо організм не може її синтезувати або не може синтезувати в достатній кількості й тому мусить отримувати її з їжею. Нестача незамінної речовини спричиняє проблеми, але її надлишок — теж. Обидві ситуації є формами неправильного харчування (мальнутриції), тобто поганого живлення, а не просто нестачі їжі.

Основні групи поживних речовин

Поживні речовини зазвичай поділяють на дві великі групи. Макронутрієнти потрібні у великих кількостях, які вимірюють у грамах, і більшість із них дає енергію. Мікронутрієнти потрібні в мізерних кількостях, які вимірюють у міліграмах чи навіть мікрограмах, але вони не менш важливі.

Вуглеводи

Вуглеводи складаються з вуглецю, водню та кисню. Найпростіші з них — цукри, як-от глюкоза і фруктоза; довші ланцюги утворюють крохмаль, який міститься в хлібі, рисі, картоплі та макаронах. Організм розщеплює крохмаль до глюкози — головного палива для мозку та важливого палива для м’язів. Зайву глюкозу можна запасти у вигляді глікогену в печінці та м’язах або перетворити на жир.

Білки

Білки — це довгі ланцюги з менших ланок, які називаються амінокислотами. Білки людини побудовані з двадцяти стандартних амінокислот, і дев’ять із них є незамінними для дорослих, тобто мають надходити з їжею. Білки утворюють м’язи, шкіру, волосся і ферменти — молекулярні машини, що прискорюють хімічні реакції. М’ясо, риба, яйця, молочні продукти, квасоля, сочевиця та горіхи — багаті джерела білка. Тваринні білки зазвичай містять усі незамінні амінокислоти в добрих пропорціях, а рослинні продукти можна поєднувати, наприклад злаки з бобовими, щоб отримати повний набір.

Жири

Жири, або ліпіди, — найбільш концентроване джерело енергії в їжі. Вони також утворюють мембрани довкола кожної клітини, допомагають організму засвоювати деякі вітаміни, слугують теплоізоляцією та захисною подушкою. Дві жирні кислоти — лінолева (омега-6) та альфа-ліноленова (омега-3) — є незамінними для людини. Вони містяться в рослинних оліях, горіхах, насінні та рибі.

Вітаміни

Вітаміни — це органічні сполуки, яких організм потребує в невеликих кількостях. Людині потрібно тринадцять вітамінів. Чотири з них жиророзчинні (A, D, E і K) і можуть накопичуватися в жировій тканині та печінці. Решта — водорозчинні: вітамін C і вісім вітамінів групи B. Більшість із них не зберігається довго, тож їх треба отримувати регулярно. Багато вітамінів допомагають ферментам виконувати свою роботу; вітамін A потрібен для зору, вітамін D — для міцних кісток, а вітамін K — для згортання крові.

Мінерали

Мінерали — це хімічні елементи, потрібні організму, як-от кальцій, фосфор, калій, натрій, магній, залізо, цинк і йод. Кальцій і фосфор будують кістки та зуби. Залізо міститься в самому центрі гемоглобіну — білка червоних кров’яних клітин, який переносить кисень. Щитоподібна залоза використовує йод, щоб виробляти гормони, які регулюють, наскільки швидко організм витрачає енергію.

Вода і харчові волокна

Воду іноді не вносять до списків поживних речовин, однак саме без неї ми можемо прожити найменше. Вона становить приблизно 60 відсотків маси тіла дорослої людини, переносить поживні речовини й відходи та допомагає регулювати температуру тіла через потовиділення. Харчові волокна, або клітковина, — це група рослинних вуглеводів, які травні ферменти людини не здатні розщепити. Волокна додають об’єму, що підтримує роботу кишечника, а бактерії товстої кишки зброджують частину з них, виробляючи речовини, які живлять клітини кишкової стінки.

Від тарілки до клітини: травлення та обмін речовин

Травлення починається в роті, де зуби подрібнюють їжу, а слина починає розщеплювати крохмаль. У шлунку сильна кислота та ферменти починають розбирати білки. Основна робота відбувається в тонкій кишці, де ферменти підшлункової залози та жовч із печінки завершують розщеплення вуглеводів до простих цукрів, білків — до амінокислот, а жирів — до жирних кислот. Внутрішня стінка тонкої кишки вкрита мільйонами крихітних пальцеподібних виростів — ворсинок, які створюють величезну поверхню для всмоктування цих дрібних молекул у кров і лімфу.

Потрапивши в організм, поживні речовини беруть участь у двох видах обміну. Катаболізм розщеплює молекули, щоб вивільнити енергію. У клітинах глюкоза та жирні кислоти поступово окиснюються, здебільшого всередині структур, які називаються мітохондріями, а енергія запасається в молекулі АТФ — енергетичній валюті клітини. Анаболізм робить протилежне: він використовує енергію, щоб будувати великі молекули, наприклад нові білки для м’язів, що ростуть, або нову ДНК для клітин, що діляться.

В організмі також живуть трильйони мікробів, особливо в товстій кишці. Ця спільнота, відома як кишкова мікробіота, допомагає розщеплювати харчові волокна і виробляє деякі вітаміни, зокрема вітамін K та окремі вітаміни групи B. Дослідники досі з’ясовують, наскільки сильно ці мікроби впливають на травлення і здоров’я.

Енергія: рахуємо калорії

Енергію їжі вимірюють у кілокалоріях або кілоджоулях. Одна кілокалорія — це енергія, потрібна, щоб нагріти один кілограм води на один градус Цельсія. На етикетках харчових продуктів цю одиницю часто пишуть як Калорію з великої літери, що може заплутати, адже одна харчова Калорія дорівнює тисячі малих калорій.

Уперше енергію їжі вчені виміряли, спалюючи її в закритій посудині, оточеній водою, — калориметричній бомбі — і фіксуючи, наскільки нагрілася вода. Наприкінці XIX століття американський хімік Вілбур Етвотер визначив, яку частину цієї енергії людський організм справді може використати. Його просте правило застосовують і сьогодні: приблизно 4 кілокалорії на грам вуглеводів, приблизно 4 на грам білка і приблизно 9 на грам жиру.

Навіть у стані повного спокою організм витрачає значну частину енергії лише на те, щоб залишатися живим: підтримувати биття серця, дихання та тепло тіла. Це називається основним обміном. Сам лише мозок споживає близько п’ятої частини енергії тіла у стані спокою, хоча становить лише близько 2 відсотків маси тіла. Дітям потрібні додаткова енергія та поживні речовини для росту, тому правильне харчування в дитинстві таке важливе.

Коли харчування дає збій: мальнутриція

Недоїдання

Коли людина тривалий час не отримує достатньо енергії чи білка, організм починає використовувати власні тканини як паливо. До важких форм належать аліментарний маразм, за якого тіло стає надзвичайно худим і виснаженим, і квашіоркор, пов’язаний із серйозною нестачею білка, що спричиняє набряки, особливо ніг і живота. Недоїдання послаблює імунну систему, тож інфекції стають частішими й небезпечнішими, а в дітей воно може призвести до затримки росту, тобто вони виростають нижчими, ніж мали б.

Хвороби, спричинені дефіцитом

Нестача лише одного мікронутрієнта може спричинити конкретну хворобу. Без вітаміну C колаген не утворюється належним чином і розвивається цинга, за якої кровоточать ясна, а рани повільно гояться. Нестача вітаміну D або кальцію в дитинстві спричиняє рахіт, за якого кістки м’якшають і викривляються. Замало тіаміну (вітаміну B1) викликає бері-бері, що уражає нерви та серце, а нестача ніацину спричиняє пелагру, яка вражає шкіру, травну систему й мозок. Нестача йоду може збільшити щитоподібну залозу, утворивши зоб, а під час вагітності — зашкодити розвитку мозку дитини. За даними Всесвітньої організації охорони здоров’я, дефіцит заліза — найпоширеніший харчовий дефіцит у світі, а нестача вітаміну A — одна з головних причин дитячої сліпоти, якій можна запобігти. Оскільки такі дефіцити можуть існувати навіть тоді, коли людина отримує достатньо калорій, їх іноді називають прихованим голодом.

Переїдання

До мальнутриції належить і споживання більшої кількості енергії, ніж організм витрачає. Надлишок енергії запасається у вигляді жиру, і з роками це може призвести до ожиріння, яке підвищує ризик діабету 2 типу, хвороб серця та деяких інших захворювань. Надлишок однієї речовини теж може шкодити. Особливо жиророзчинні вітаміни можуть накопичуватися до токсичних рівнів: арктичні дослідники, які їли печінку білого ведмедя, надзвичайно багату на вітамін A, тяжко захворіли. Сьогодні багато країн стикаються з подвійним тягарем мальнутриції, коли недоїдання й ожиріння існують поруч, іноді навіть у межах однієї родини.

Як учені відкрили поживні речовини

Протягом більшої частини історії люди знали, що деякі продукти підтримують здоров’я, але не знали чому. Один із перших контрольованих експериментів у медицині стосувався саме харчування. 1747 року шотландський корабельний лікар Джеймс Лінд поділив моряків, хворих на цингу, на невеликі групи і дав кожній групі інше лікування. Ті, хто отримував апельсини та лимони, одужували вражаюче швидко. Проте минули ще десятиліття, перш ніж британський флот почав регулярно постачати своїм морякам цитрусовий сік.

Наприкінці XVIII століття французький хімік Антуан Лавуазьє показав, що дихання — це своєрідне повільне горіння: організм використовує кисень, щоб вивільнити енергію з їжі, і виділяє вуглекислий газ, так само як свічка. Ця ідея заклала основи вивчення обміну речовин. Упродовж XIX століття хіміки виокремили вуглеводи, жири та білки, і багато хто вважав, що вони разом із мінералами та водою — це все, що потрібно людині.

Це переконання зруйнувала загадка бері-бері. У 1890-х роках нідерландський лікар Христіан Ейкман, який працював у Нідерландській Ост-Індії (нині Індонезія), помітив, що кури, яких годували шліфованим білим рисом, захворювали на недугу, схожу на бері-бері, а кури, яких годували нешліфованим рисом, — ні. Щось у зовнішніх шарах зерна їх захищало. 1912 року польський біохімік Казимир Функ припустив, що такі хвороби спричиняє нестача особливих речовин, які він назвав вітамінами, від vital amines — життєво важливі аміни. Коли з’ясувалося, що не всі вони є амінами, в англійській мові кінцеву літеру e відкинули, і так з’явилося сучасне слово vitamin. Ейкман розділив Нобелівську премію з фізіології або медицини 1929 року з англійським біохіміком Фредеріком Гоулендом Гопкінсом, який показав, що тварини потребують додаткових харчових чинників понад відомі поживні речовини.

На початку XX століття американський лікар Джозеф Голдбергер довів, що пелагру, тоді дуже поширену на півдні Сполучених Штатів, спричиняє бідне харчування, а не мікроби. У 1920-х роках Швейцарія та Сполучені Штати почали додавати йод до кухонної солі — це один із найпростіших і найуспішніших заходів громадського здоров’я в історії, який різко зменшив поширеність зоба.

Харчування не лише людини

Усім живим істотам потрібне живлення, але вони отримують його дуже по-різному. Автотрофи, як-от рослини, водорості й деякі бактерії, самі виробляють свої органічні молекули. Рослини використовують сонячне світло, вуглекислий газ і воду для фотосинтезу, а потім поглинають мінерали з ґрунту корінням. Три мінерали, яких вони потребують найбільше, — це азот, фосфор і калій, тому саме вони є основними складниками садових добрив. Гетеротрофи, серед яких тварини та гриби, мусять отримувати органічні молекули, поїдаючи чи поглинаючи інші організми або їхні рештки.

Природа знайшла дивовижні рішення. Хижі рослини, як-от венерина мухоловка, ростуть на бідних болотистих ґрунтах і ловлять комах здебільшого для того, щоб отримати азот та інші мінерали, а не енергію. Корови й інші жуйні тварини не можуть самі перетравити целюлозу трави; це роблять за них мікроби в їхньому великому багатокамерному шлунку. Терміти, які живляться деревиною, так само залежать від мікробів у своєму кишечнику, щоб її розщепити.

Як скласти збалансований раціон

Жоден продукт не містить усіх поживних речовин у потрібних кількостях, тому фахівці з охорони здоров’я радять їсти різноманітну їжу. Багато країн публікують рекомендації щодо харчування у вигляді простих малюнків. 2011 року Сполучені Штати замінили свою відому харчову піраміду схемою у формі тарілки під назвою MyPlate, яка показує, що овочі й фрукти мають займати приблизно половину страви, а злаки та білкові продукти ділять між собою решту.

Серед порад, які трапляються в більшості національних рекомендацій:

• Їсти багато овочів, фруктів, цільнозернових продуктів, бобових і горіхів.
• Обирати воду як основний напій.
• Обмежувати солодкі напої та продукти з великою кількістю доданого цукру. Всесвітня організація охорони здоров’я радить, щоб вільні цукри становили менше ніж 10 відсотків щоденного споживання енергії.
• Уживати менше солі. Для дорослих Всесвітня організація охорони здоров’я рекомендує менше ніж 5 грамів на день.
• Надавати перевагу ненасиченим жирам, що містяться в рослинних оліях, горіхах і рибі, а не великим кількостям насичених жирів.

Потреби змінюються і впродовж життя. Немовлята, підлітки, які ростуть, вагітні жінки та літні люди мають особливі потреби, тому поради щодо харчування часто враховують вік і етап життя.

Дивовижні факти про харчування

• Більшість ссавців здатні самі виробляти вітамін C, а люди — ні. Цю нездатність ми поділяємо з людиноподібними мавпами й іншими мавпами, морськими свинками та деякими кажанами, тому цинга може вражати людей, але не собак чи котів.
• Вітамін D незвичайний: шкіра може виробляти його під дією сонячного світла, тож у певному сенсі він частково вітамін, а частково гормон.
• Вітамін B12 виробляють лише мікроби. Тварини отримують його з їжею або від бактерій, тому людям, які не споживають продуктів тваринного походження, радять уживати збагачені продукти чи харчові добавки.
• Харчові волокна довго вважали непотрібним баластом. Сьогодні їх цінують як їжу для кишкової мікробіоти та за зв’язок зі здоровою травною системою.
• Вислів ти те, що ти їси в певному сенсі буквально правдивий: багато атомів у твоєму тілі поступово замінюються атомами, що надійшли з їжею та напоями.