BMR/PPM - czy jest wiarygodny? Cd. Krótkiej historii o dietetyce cz. 3

Skrót BMR to Basal metabolic rate czyli podstawowa przemiana materii organizmu człowieka. BMR można uzyskać po przez wzór stworzony w 1919 roku przez Harrisa i Benedicta. Wzór ten jest niezbędny do obliczenia swojego zapotrzebowania dziennego na kalorie do podtrzymania podstawowych funkcji organizmu(1). Od tego wzoru też zaczyna się przygodę z dietą by mieć chociaż jakąś minimalną orientację ile energii z pożywienia mamy konsumować. Wiele stron oferuje różne kalkulatory opierające się głównie na wzorze Harissa i Benedicta ale są też i inne wzory, jak na przykład wzór Katch-McArdle. Różnice między wzorami zazwyczaj różnią się tym, że dodajemy do wzoru czynniki(zapisane w liczbach) w zależności od stylu życia czy też intensywności wysiłku.


Mało kto jednak zdaje sobie sprawę na czym bazuje BMR i na jakich naukowych podstawach był on opracowany. Okazuję się, śledząc historię dietetyki że już od samego początku wszelkie wyliczenia BMR były mocno ograniczone i dawały niewiarygodne wyniki. Prześledźmy zatem wpierw chronologię zdarzeń które doprowadziły do powstania BMR jednocześnie nie wgłębiając się za bardzo ponieważ historia dietetyki jest na prawdę obszernym tematem.

Dobrym punktem by zacząć historię BMR, jest przedstawienie wątku jak zaczęła się naukowa przygoda pomiaru energii jaką emitują żywe organizmy. Tak na marginesie potraktuję ten wpis jako kontynuację poprzednich części na temat historii dietetyki. Część pierwsza i Część druga

Najpierw żeby cokolwiek zrozumieć musimy wiedzieć co to jest Mechanicyzm:

Mechanicyzm to filozofia nauki która, zakłada że cała natura, w tym też ludzki organizm działa jak mechanizm i wszystkie działania można wytłumaczyć według mechaniki klasycznej. W XVII wieku mechanicyzm opanował wszystkie dziedziny nauki i zmienił w jaki sposób postrzegamy świat natury(do dziś) a nawet wszechświat.

Ważną osobą w umacnianiu pozycji mechanicyzmu w świecie nauki był francuski chemik Antoine Laurent Lavoisier(2). Był on twórcą teorii spalania. Według tej teorii, spalanie to chemiczny proces połączenia płonącego materiału z tlenem zawartym w powietrzu. Zasady "nowej chemii" według Lavoisiera miała takie same zastosowanie dla żywych organizmów jak dla martwych obiektów. Gdy zapalimy świeczkę i umieścimy ją w zamkniętym naczyniu w takim jak na przykład szklany słoik, po pewnym czasie, z powodu barku tlenu który jest niezbędny do spalania, ogień zgaśnie. Tak samo stanie się gdy pod takim zamkniętym naczyniem umieścimy żywy organizm jak mysz. Po pewnym czasie mysz umrze z powodu braku tlenu który jest niezbędny do procesu życia. W taki właśnie sposób rozumiano sposób spalania/czerpania energii w żywych organizmach. Lavoisiera użył po raz pierwszy słowo kaloria(3). Słowo calorique czyli kaloria ( Jędrzej Śniadecki, polski lekarz wprowadził termin "cieplik" zanim w Polsce użyto słowa kaloria) miało oznaczać płyn niewiadomego pochodzenia który otaczał wszystkie cząsteczki materii w żywym organizmie. Ten płyn niewiadomego pochodzenia miał być odpowiedzialny za produkcje ciepła.  Mało tego, Lavoisier umieścił cieplika na tablica pierwiastków. W tamtym okresie terminem niewiadomego płynu o nie znanym pochodzeniu określano takie, jeszcze wtedy nie wyjaśnione do końca zjawiska jak ciepło, światło i magnetyzm. Mocnym głosem w szerzeniu teorii o mistycznych płynach był Pierre Simon de Laplace który, współpracował z Lavoisier.

Laplace i Lavoisier stworzyli tak zwany kalorymetr (ice-calorimeter) który był zbudowany z trzech metalowych naczyń w kształcie cylindra które były umieszczone jedno na drugim. Aparatura miała za zadanie badanie różnych cieczy które zostały poddawane na działanie ciepła. Kalorymetr nie badał samego ciepła a jedynie zmianę ciepła. Francuscy naukowcy stworzyli teorię by wytłumaczyć pochodzenie ciepła, teorię kaloryczności a w polskiej literaturze znaną jako teorie cieplika.

Badania kalorymetrem były dość atrakcyjne, ponieważ wynik dało się przedstawić numerycznie. Sprowadzanie fizyki do matematycznych wyliczeń jak to miało miejsce podczas badań kalorymetrem wpisywało się w tok myślenia który w tamtych czasach rządził czyli "Matematyczna teoria natury Newtona". 

Teoria cieplika/kalorii czyli teoria ciepła w formie płynu o niewiadomym pochodzeniu miała według Laplace i Lavoisiera takie same zastosowanie dla obiektów martwych jak i dla żywych organizmów. 

Według naukowców można było wpierw teoretycznie wyliczyć ile żywy organizm będzie wstanie stopić lodu w kolorymetrze a potem potwierdzić to po przez eksperyment.

By udowodnić swoją tezę, umieścili świnkę morską w kalorymetrze na dziesięć godzin(4). 

    

Wstępne wyliczenia wykazywały, że świnka morska powinna stopić ok 370 gram lodu (13 uncji) a w rzeczywistości stopiła 298 gram(10,5 uncji). Mimo tak wielkiej różnicy i mimo tego że wynik nie mieścił w marginesie błędu uznano eksperyment za udany i potwierdzający tezę. Laviosier tłumaczy wynik swojego badania: "Oddychanie jest spalaniem, powolnym ale dokładnie podobnym do spalania węgla...odbywa się w środku płuc".(5) 

W krotce jednak, teoria kalorii jako płynie o nie wiadomym pochodzeniu przestała być aktualna. Zaczęto myśleć w kategorii energii. Słowo energia pochodzi od greckiego słowa ergos(praca), zostało zaproponowane przez angielskiego fizyka Thomsa Younga. Od tamtej pory energią nazywano takie zjawiska jak ruch, ciepło, elektryczność, magnetyzm czy też światło.

Kolejnymi zdarzeniami na linii czasu historii dietetyki które pomogą zrozumieć skąd wziął się wzór BMR jak i inne fundamentalne zalecenia dietetyczne są; wpierw w 1827 roku William Prout jako pierwszy ugrupował węglowodany, białka i lipidy, co my dziś nazywamy makro składnikami diety. Następnie, w 1842 roku kolejny anglik James Joule zademonstrował przemianę pracy/prądu elektrycznego na ciepło. Od Joula pochodzi jednostka dżul która służy między innymi do określania ilości energii w pożywieniu. (1 dżul = 0,2388 cal. )  James Joule wraz z Juliusem Mayerem i Hermanem Helmholtzem(ten od żab) odkrył zasady konserwacji energii. Helmholtz wierzył że prawa termodynamiki działają tak samo na ludzi jak i na maszyny. W tym samym roku, Justus von Liebig zbadał ile dany makroskładnik ma energii w kaloriach. Od niego właśnie wiemy że węglowodany mają 4 kalorie na równi z białkiem a tłuszcze liczą 9 kalorii. Liebig był wielkim fanem mechanicyzmu i jak Helmhotz wierzył że organizmy żywe rządzą się takimi samymi prawami jak maszyny. Redukował pożywienie do wartości energetycznych które były wydzielane podczas spalania, pomijał jakość produktów. 

Na podstawie praw takich jak termodynamika faworyzowanych przez naukowców ze "skrzydła" mechanicyzmu(między innymi wyżej wymienionych) powstało wiele aparatur które miały za zadanie mierzyć przemianę materii zwierząt. Jednym z twórców takiej aparatury był Victor Regnault który, stworzył szklaną kopułę która mierzyła ilość wdychanego tlenu i wydzielanego dwutlenku węgla przez badane zwierzę. Wyniki spalania dawały mniej więcej dane do tego ile zwierzę musi jeść by przytyć lub zgubić wagę. Było to ewidentne porównywanie żywego organizmu do maszyny.

Kaloria od tego czasu była używana do przedstawiania ilości energii ile pożywienie może dostarczać żywym organizmom do tworzenia ciepła i ruchu. Dobrze obrazuje to przypadek "ojca eksperymentalnej fizjologii" Francois Magendie któremu w 1850 roku francuski rząd zaniepokojony niedostatkami żywności spowodowanymi wojnami zlecił wynalezienie jakiegoś taniego i ogólnie dostępnego produktu jak na przykład żelatyna. Magendie wykonał eksperyment i ułożył dietę którą podawał psom. Dieta była pozbawiona całkowicie białka, zawierała natomiast jedynie węglowodany proste w formie sacharozy (cukier) i tłuszcze w formie oliwy z oliwek. Ku zdziwieniu wszystkim, psy umarły. Wciągnięto dwa ważne wnioski z tego eksperymentu. Pierwszy wniosek to; nie wszystkie kalorie są równe a drugi, dostarczanie białka w diecie jest niezbędnym elementem do przeżycia. W drugim eksperymencie zdecydowano się dodać życiodajnych protein w formie żelatyny. Niestety w drugim eksperymencie psy również nie przeżyły. Jest i trzeci wniosek; nie wszystkie proteiny są równe. Ten moment na kartach historii według niektórych (Asimov) jest początkiem nauki o odżywianiu czyli wpływ pożywienia na życie i zdrowie człowieka.

W 1860 roku Karl von Voit i Max von Pettenkoffer stworzyli pierwszy kalorymetr dla ludzi i to oni jako pierwsi starali się zmierzyć BMR czyli podstawową przemianę materii. Ponad 30 lat później, w 1894 roku Max Rubner jako pierwszy zaczął badać zwierzęta by udowodnić że można zastosować prawa konserwacji energii w żywych organizmach. Jego pracę kontynuowali Atwater i Benedict. 

W tamtych czasach mocno wierzono że wszystkie fizjologiczne mechanizmy w żywym organizmie da się odtworzyć w laboratorium. 

Od 1909 Atwater i Benedict zaczęli mierzyć za pomocą kalorymetra ilość emitowanego ciepła przez ludzki organizm. Wyniki jakie osiągnęli, mieściły się w granicy błędu i kaloryczność pożywienia pokrywała się emitowanym ciepłem przez ludzki organizm. Później Benedict wraz z Harrisem stworzyli wzór do obliczania BMR:

Mężczyźni 66 + [13,7 x masa ciała (kg)] + [5 x wzrost (cm)] - [6,76 x wiek (lata)]

Kobiety 655 + [9,6 x masa ciała (kg)] + [1,8 x wzrost (cm)] - [4,7 x wiek (lata)]

Jednak był on jedynie przydatny dla osób zdrowych i o normalnej wadzę. Na przykład w jednym z badań na osobach otyłych, poprawna przewidywalność wynosiła od 40% do 60%.

Z resztą, słabą przewidywalność zauważył już 10 lat wcześniej sam twórca badając ludzi którzy zostali poddani głodówce. Są też inne wzory, takie jak wyżej wymieniony wzór według Katch-McArdle który jest uważany za jeden z najbardziej dokładny w mierzeniu BMR. Jednak nawet takie wzory są bez użyteczne w przypadkach różnych diet gdzie manipuluje się makroskładniki jak na przykład dieta ketogeniczna czy nawet w przypadku najmniejszych dysfunkcji metabolizmu.  

To nie jest koniec historycznych wątków. Ważną postacią jest Paul Webb który przeanalizował badania na temat regulacji wagi ciała gdzie stosowane była teoria bilansu energetycznego i zauważył wiele błędów i obliczeniach i wynikach badań. Większość badań do mierzenia metabolizmu/bilansu energetycznego wykonywana jest po przez tzw. "direct" i "indirect" czyli bezpośredni i pośredni kalorymetr. Bezpośredni kalorymetr mierzy ciepło uwalniane przez badany obiekt a pośredni mierzy ilość wdychanego tlenu i wydzielanego dwutlenku węgla. Wyniki z tych dwóch technik są porównywane do określenia bilansu energetycznego.  W swoich własnych badaniach Webb też zanotował wielką różnicę między teoretyczną produkcją energii bazując na wynikach z pośredniego kalorymetra a rzeczywistą uwolnią energią z bezpośredniego kalorymetra. Różnica wynosiła pomiędzy 8% a 23%. Dodatkowo, Webb w swoich badaniach pokazał że zgubienie 1 kg tkanki tłuszczowej to nie tak jak się przyjęło 7000 kalorii. Liczby mogą się wahać od 3000 kalorii do 8000 kalorii. 

Nie jestem fanem mechanicyzmu ani takiego radykalnego redukcjonizmu który zbudował fundamenty dietetyki które funkcjonują aż do dziś. Wzór BMR nie jest wiarygodnym wyznacznikiem determinującym ilość pożywienia jaką mamy konsumować by być zdrowym lub by zapewnić sobie wyniki w uprawianej dyscyplinie. Pomijana jest biochemia i jak naprawdę zachowują się składniki odżywcze w organizmie to raz. Dwa, faktem jest że jeden produkt(nie mówiąc już o całej diecie) może zadziałać znacznie inaczej na osobnika A niżeli na osobnika B. To nazywa się biochemiczna indywidualność. BMR nie ma za bardzo odniesienia do wielu przypadków z życia jak na przykład ludzi stosujących diety ketogeniczne jak i dla ludzi z syndromem odporności anabolicznej. Jak już pokazała sama historia wzór BMR ma wiele ograniczeń a jest wiele więcej argumentów by ją zakwestionować ale o tym w kolejnych częściach. 

Bibliografia:

1. BMR - jak obliczyć obliczyć zapotrzebowanie kaloryczne? LINK 

2. Isaac Asimov - A short history of bilogy

3. Frederic Lawrence Holmes - Lavoisier and the Chemistry of Life: An Exploration of Scientific Creativity

4. Robert D. Purrington - Physics in the Nineteenth Century 

5. William Riggins - The myth of the calorie

Grupa Facebook