站在巨人的肩膀上

尽管我们每天都会进食和呼吸，但关于新陈代谢的科学研究花了好长时间才建立起来。我们在第2章讨论的每个细节，图2–1里的每个箭头，都是某个人（通常是某个团队）辛勤工作好几年的结果，这些知识前后花了差不多200年才拼凑完整。

18世纪中后期见证了新陈代谢科学的早期突破。那时，欧洲和美洲都有研究者发现了氧气和食物的重要性，他们意识到人类和其他动物都必须吃饭和呼吸。他们甚至把火和新陈代谢联系起来，认为人类和哺乳动物的身体都能产生热量。但他们并不知道其中的原因，比如，我们为什么要呼吸，也不了解我们的身体如何利用食物。

早期的新陈代谢研究没有什么实质性进展，因为当时人们对世界的认识还十分肤浅。虽然启蒙运动已经开始，现代西方科学也早在17世纪就萌芽了，但当时人们普遍认为我们不需要从空气中获取任何东西。科学家认为，身体产生热量是因为“燃素”离开了身体。燃素被视为物质燃烧的必要条件 ，在物质燃烧时被释放出来。空气虽然能吸收燃素，但不能无限吸收。因此，如果你用罐子把蜡烛罩住，罐内空气中的燃素就会达到饱和，以至于抑制蜡烛继续释放燃素，蜡烛也会因此熄灭。

氧气直到1774年才被约瑟夫·普里斯特利 首先发现，他把这种气体叫作“去燃素气”，并认为氧气是去除燃素后的空气。普里斯特利在一次巴黎之旅中，把氧气介绍给一位名叫安托万·拉瓦锡的化学家。他们俩都为燃烧的科学原理而深深着迷。很多人将拉瓦锡视为现代化学之父，他驳斥了氧气是去燃素气的观点。

拉瓦锡认为，这种气体本身就是一种物质，并给它取名“氧气”或“制酸气”（因为它嗜好偷窃电子并形成酸，从而在电子传递链中起到关键作用）。拉瓦锡是第一个认识到燃烧需要消耗氧气的人，他预感到生物体可能也需要消耗氧气。

1782年，拉瓦锡和他的朋友皮埃尔–西蒙·拉普拉斯开展了一项巧妙的实验，为新陈代谢科学奠定了基础。他们将小白鼠放到金属容器（容器是封闭的，但上面有呼吸孔）内， 再把金属容器放到一个尺寸更大的桶里，桶内还装有冰块。然后，他们用冰块包裹住装有小白鼠的金属容器，在桶底凿了一个出水口。最后，他们通过测量从桶内流出的水量来计算小白鼠释放了多少热量。拉瓦锡和拉普拉斯计算了消耗的卡路里和释放的二氧化碳之比，发现小白鼠释放热量的速度跟木头或蜡烛燃烧的速度接近。据此，拉瓦锡总结道：新陈代谢的本质就是燃烧。

几年后在法国大革命的动荡中，拉瓦锡被送上了断头台。试想一下，如果他能逃过一劫，还会取得多少伟大的发现。

经过几十年的艰苦实验，人们终于发现，把食物点燃后释放出来的热量就等于它在人体内“燃烧”释放出来的热量。此外，这一过程吸收的氧气和释放的二氧化碳也是等量的。科学家发现了这些基本规律后，他们找到了两种测量能量消耗的方式：一是测量释放了多少热量（“直接测热法”）；二是测量消耗了多少氧气，以及释放了多少二氧化碳 （“间接测热法”）。实际操作时，测量气体比测量热量要容易得多。所以，直到19世纪末，科学家还在通过氧气消耗量、二氧化碳释放量来测量人类和动物的能量消耗。

时间快进到100年后，我也在用同样的方法测量奥斯卡在跑步机上的能量消耗。从图2–1中可以看到，燃烧碳水化合物、脂肪、蛋白质都需要消耗氧气，并且都会产生二氧化碳。虽然氧气和二氧化碳不是能量，但它们和腺苷三磷酸的产生息息相关，因此成为测量新陈代谢的可靠方法，在一段时间内也是主流方法。

不过，问题也随之而来。氧气和二氧化碳只是能量消耗的间接量度，使用时必须考虑一些细节问题。首先，身体需要好几分钟才能达到适合测量的状态，即稳定地消耗氧气并释放出二氧化碳。如果你经常锻炼就会知道，你锻炼一段时间后，呼吸和心跳才会随着运动节奏做出调整。其次，爆发性运动（比如冲刺跑或举重）的时长不足以让身体做出稳定的改变，而且这类运动主要依靠无氧代谢，不需要消耗氧气，所以很难测量。再次，即使氧气消耗量和二氧化碳释放量不变，你的能量消耗也可能随消耗的营养素的比例不同而发生变化。不过还好，不同营养素的成分比例可以通过氧气消耗量与二氧化碳释放量的比例（“换气比值”或“呼吸商”）计算出来，从而得到相对准确的能量消耗数据。

尽管面对巨大的挑战，研究者还是测量了大量的人类活动，相关测量结果被广泛地应用于健身设备和在线卡路里计算器。当你在椭圆机上挥汗如雨、摇动智能手表或在动感单车上狂蹬时，仪表上显示的卡路里数字就是根据氧气消耗量和二氧化碳释放量计算出来的。从理论上说，有些人在实验室里做过跟你一样的动作，并和对照组做比较，得出了计算结果。这至少是获取这些数字的合理方法。

能量消耗的多少通常会被表示成“代谢当量”，英文缩写是MET。1个MET的意思是，每千克体重每小时消耗1千卡能量，相当于静息状态下的能量消耗。芭芭拉·安斯沃思及其团队发布了《身体活动汇编》 ，自1993年以来，每隔几年就会更新一次。如果你好奇某项运动的能量消耗情况，你可以把它当成你的参考手册之一。它记录了800多种活动的代谢当量，有日常活动（“打字：电子，手动或计算机”，1.3MET），也有一些非常规的行为（站立着用鱼叉钓鱼，2.3MET），有一些模糊的行为（“常规的性行为”，1.8MET），也有一些无法理解的行为（“以每小时3.5英里的速度、5%的坡度倒着走”，6.0MET）。我在表3–1中列举了一些常见活动的能量消耗情况。