科学家首次绘制出能量代谢人生 “全景图”

撰文 | 计永胜

责编 | 刘楚

生命的维持以及生物机体的各类活动均需要能量支撑。生物通过摄取营养物质，将其进行一系列代谢后转化为能量；而代谢失调或紊乱会引发一系列健康问题（例如糖尿病）。因此，了解不断阶段每天的能量消耗可以从侧面明确每天的营养需求，为个体健康保驾护航。

从生长发育角度来说，人都是从呱呱坠地的婴儿走向步路蹒跚的老人，但人生各个阶段对能量的需求却是不一样的。

那么，人一生的能量消耗有怎样的规律？不同时期又有什么样的特点呢？

科学家对此有很多探索，但从研究手段上来说，研究人员不太可能连续跟踪一个人一生每天的能量消耗，更不要提涉及成百上千人的研究规模。因此，解决上述问题就需要分工与协作，最后将整合分析。

国际原子能机构双标记水数据库联盟（IAEA DLW Database Consortium）就是这样一个组织。该组织的管理团队成员来自杜克大学、洛约拉大学医学中心、筑波大学、威斯康星大学、贝勒医学院和马斯特里赫特大学等，主席由阿伯丁大学教授 John R. Speakman（同时就职于中科院深圳先进技术研究院）担任。

来自世界各国的科研团队可以向上述数据库提交通过 “双标记水法（DLW）” 测得的人群每日能耗数据。迄今为止，国际原子能机构双标记水数据库已经获得了全球20多个国家超6500人的能耗数据。

2021年8月13日，国际原子能机构双标记水数据库联盟在《科学》杂志发表了他们对来自29个国家的6421人规模的每日能耗分析结果，年龄跨度从出生8天到95岁 [1]。

我们把维持生命个体基本生理功能和生命特征的能量消耗称为基础能量消耗（基础代谢，Basal energy expenditure，BEE），也就是一个人啥也不想啥也不动安静状态下消耗的能量；如果把个体运动、学习等活动消耗能量加进去，就称之为总能量消耗（Total energy expenditure，TEE）。从比例上讲，基础能量消耗约占总能量消耗的50%-70%。

体型对代谢率的影响已经被讨论和探索了几十年，该研究分析所得的第一个结果并不出大家所料：人体的单日总能耗随着体重增加而增加，也就是体重越重的人需要的能量就越多。这里的体重指去脂体重（Fat Free Mass，FFM），也称瘦体重，更能反映人体的体质和运能能力。

人们更想知道的事人体随着年龄变化能量消耗的变化规律，因此，研究人员通过设计一系列统计模型将体重这个因素进行了调整 “固定”，从而使年龄成为单一影响因子。同时，研究人员比较了实际能耗和 “预期” 能耗（Expected value）之间的差值，将其定义为 “调整” 能耗（Adjusted expenditure），以百分数表示。如果实际测的能耗与相应体重下的统计模型预测能耗一致，则为100%；如果超出20%，则记为120%。

通过进一步分析，研究人员发现：人体一生的能量消耗主要分为4个阶段：

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出生到1岁的婴幼儿期。这一时期人体总的能量消耗和基础能量消耗均显著上升，分界点出现在0.7岁。

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1岁到20岁的青少年时期。这时期人体总能耗和基础能耗的绝对值仍然在上升，男性的能耗要高于女性。虽然此时段的 “调整” 能耗仍大于100%，即实测能耗值高于 “预期值”，但随着年龄增长，实测值在逐渐向 “预期值” 靠拢，并在20岁左右与 “预期值” 持平，时间拐点出现在20.5岁。这也反映出人体在生长发育期对能量的旺盛需求。

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20岁到60岁的壮年时期。这段时间人体的总能耗和基础能耗均呈稳定状态，并且与 “预期值” 基本一致。“调整” 总能耗的下降时间节点为63岁，而 “调整” 基础能耗的下降拐点稍微提前，46.5岁。作者指出，造成年龄差异的原因是45岁到65岁阶段参与基础能耗测定的人比较少。

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60岁以上时期。这时期人体的总能耗和基础能耗均开始下滑，逐渐低于 “预期值”。

研究得出结论：以年龄作为参照点，人一生的能耗并不是 “简单地” 随着年龄的增长而增加。

换句话说，理想状态下，绝对能耗随体重增加而上升，体重随年龄增加，相应的绝对能耗和年龄正相关；但从相对能耗，或者从 “调整” 能耗角度来讲，20岁之前比较高（大于100%），这个阶段也正是长身体的时候，而20岁到60岁阶段的 “调整” 能耗就平稳了，60岁以后开始下降。这与此前人们普遍认为的 “人到中年、代谢下降” 的观念相悖。

研究人员通过数据整合为我们绘制了人的一生的能量代谢 “全景图”。通过这张图，我们可以更好地了解自身的代谢规律，通过调整饮食、增加运动等途径来避免一些健康问题（比如肥胖）。同时，这项研究也提示，在进行疾病发病机制的基础研究时，也应该把动物的 “年龄” 考虑进去，毕竟不同年龄段的动物的代谢水平可能也存在差异。

威斯康星大学医学与公共卫生学院教授 Timothy W. Rhoads 在同期《科学》杂志发表了评论文章《Taking the long view on metabolism <长远眼光看代谢>》[2]。

评论提及了该研究涉及的大队列数据分析的难度。相比原先的间接测热法（indirect calorimetry），近年来双标记水法（DLW）被广泛应用于人体能耗变化，但是由于成本高昂，大多数设研究被限制在相对较小的队列中，但该研究团体通过承诺共享数据库开发综合方法，最终得以进行大队列数据分析。

Timothy W. Rhoads 写道，研究表明，研究人员在选择疾病模型时，需要仔细考虑生命阶段影响因素，特别是对于年龄相关疾病的病因学研究尤为重要。

“在幼年正在成长的动物模型容易弄清楚的信号通路或影响因素可能在老年动物体内不敏感，甚至没反应。年幼动物模型不能真实反映老年动物的体内环境。”

参考文献

[1] Herman Pontzer, Yosuke Yamada, Hiroyuki Sagayama, et al. Daily energy expenditure through the human life course. Science. 2021. DOI: 10.1126/science.abe5017

[2] Timothy W. Rhoads and Rozalyn M. Anderson. Taking the long view on metabolism. Science. 2021. 10.1126/science.abl4537