原来饿的感觉这么重要,作为吃货的我简直有些骄傲


You are what you eat: 我们如何感觉饥饿,饥饿又如何调节我们的饮食

生命“以负熵为生”

吃饭可能是我们每个人生活中最重要的活动之一了。我们的老祖宗说“民以食为天”,说的就是吃饱饭这件事比“天”还大。欧洲人对吃饭的理解比我们的老祖宗走的还要更远些,英语里有句俗语“you are what you eat”,直译过来就是“人如其食”,说的是从一个人吃什么饭就能推断出这个人是个什么样子的人,食物还能反映甚至是决定一个人的人格、情绪、习惯等等。

吃饭这件事的重要性是跨越物种、时间和空间的:从漂浮在五亿年前的寒武纪海洋上寻找海绵动物尸体的三叶虫,到坐在电脑前面吃着麦香食堂打来的鱼香肉丝的你们,进化史缓慢但是深刻的把控制吃饭的所有细节镌刻在每个动物物种的遗传代码里。吃饭为什么重要似乎不必过多解释:薛定谔在他的不朽名著《什么是生命》里高屋建瓴的讲到,生命“以负熵为生”,为了避免有机体迅速的按照热力学第二定律的轨道衰退为墒为极大值的平衡态,生命必须持续不断的从环境中攫取“负熵”。负熵是熵的对立,熵代表的是无序,而负熵表示的则是有序。吸取负熵,可以简单的理解为从外界吸收了物质或能量之后,使系统的熵降低,变得更加有序了,我们吃的食物就是非常有序的低熵。而对于动物来说,薛定谔说“高等动物…则完全是以此为生的。被他们作为食物的、复杂程度不同的有机物中,物质的状态是及其有序的。动物在利用这些食物后,排泄出来的是大大降解的东西”。如果上面的解释太过形而上,那么至少我们知道,动物需要吃饭来为新陈代谢的各种活动提供能量,也需要通过吃饭及时摄入身体需要但是无法自身合成的各种营养物质例如必需氨基酸、维生素等等。或者还是可以歪用那句俗语来应对外行的提问,“you are what you eat”,我们身体里的几乎所有物质,都是从我们吃的饭里面变出来的。

“吃”的奥秘我们刚刚开始了解

生物体非常重要的现象背后一定存在复杂而精密的调控机制,这是在漫长的进化史上生物体形成的应对复杂多变的环境的必然策略。吃饭这件事情也不例外。我们什么时候该吃东西、该吃多少东西、该吃什么样的东西,看似简单而且下意识的决定和行为背后是神经系统和代谢系统复杂的计算过程。还是用例子来说明问题吧:我们现在知道,哺乳类动物大脑里的一个特定区域——下丘脑弓状核的某些特定神经元能够“感受”自身的能量状态。这些神经元本身的位置靠近大脑第三脑室的边缘,可以直接接触到动物的循环系统,因而,天然的具备采集和分析循环系统中各种营养物质和激素分子的能力。当我们长时间未进食后,血液里的葡萄糖浓度和脂肪酸水平因为持续的消耗而下降;同时,消化系统中的食物逐渐被消化吸收和排空,会引发一系列神经肽分子被分泌进入血液,例如脑肠肽(ghrelin)等等。这些信号都会被下丘脑神经元所感知,我们从而产生了“饥饿”的感觉,“吃饭”的重要性逐渐浮现在我们的脑海里。饱餐一顿美味之后,血液中葡萄糖和脂肪酸的浓度迅速上升,而饱胀的胃抑制了脑肠肽的合成和释放,感受饥饿的下丘脑神经元逐渐的失去了活性,我们也随之觉得“饱”。我们的大脑就这样周而复始的让我们感到饥饿,让我们寻找美味,让我们觉得满足。

千万不要以为上面这个简单的负反馈循环就能解释关于吃饭的一切了:事实上,这只不过是冰山一角而已,我们的大脑会系统性的分析身体总体的能量水平,以决定我们是否需要吃饭,而这种分析甚至可以跨越不同的组织和器官。简单的举一个例子,下丘脑的部分神经元还能够监控身体里的长期能量储备-脂肪含量,以便更精确的决定进食量。这背后的逻辑并不复杂:脂肪是能量密度非常高的物质,身体储备脂肪就是为了在能量缺乏的状态下持续的提供机体所需的能量,所以胖子按理说不需要吃得太多也可以满足身体的能量需要。而神经元监控脂肪储备的方法也非常精巧:脂肪组织能够分泌一种信号蛋白-瘦素(leptin),血液中瘦素的水平是和脂肪含量成正比的;而下丘脑的特定神经元恰恰可以感知血液中瘦素的水平,瘦素水平上升会激活这些神经元从而抑制食欲。我们的大脑正是用这一系列的方式系统的了解身体里各种能量来源的水平,从血糖水平到脂肪含量,来决定我们是否需要吃东西的。

如果你已经逐渐开始理解并且欣赏我们的大脑如何精密的调节我们的进食,那么可能下面的事实可能又会让你迷惑不已:我们正高速进入一个肥胖化的时代。世界卫生组织估算全球有超过5亿人患有肥胖症,超过15亿人处于超重状态,而这些数字伴随着全球工业化进程在极速放大。在食品工业高度发达的美国,超过2/3的成年人处于肥胖或超重状态,产生的医疗开支每年超过1400亿美元。为什么我们的大脑不能精确的控制我们的饮食,防止我们陷入营养过剩乃至肥胖的困境? 这个问题的答案并不简单。

一方面,在漫长的进化史上,我们的祖先可能长期面临食物短缺和营养不良的困扰(这可能也是进化中最重要的选择压之一),因而我们的身体和大脑对高热量和易消化吸收的食物天然的充满渴求。这在食物短缺时期保证了我们的祖先能够高效率的进食并储存能量,也让我们在后工业化的社会,对无处不在的巧克力冰激凌炸薯条这样的高热量食物极端缺乏“免疫力”。另一方面说,大脑精确调控进食行为的机制,当面临长时间高热量食物摄入的刺激后会出现明显的失调。举例来说,实验室研究证明,当小鼠被喂食高脂肪食物一段时间后,小鼠下丘脑神经元对瘦素的敏感度明显降低。换句话说,吃了一段时间的垃圾食品增肥之后,小鼠的食欲不仅没有下降,反而上升了。这背后的机理目前还不完全清楚,可能是由于下丘脑神经元在长时间接触瘦素分子之后对瘦素分子的敏感度下降,也可能是由于这些神经元向下游传导信息的能力降低,等等。综合起来看,当前世界性的普遍肥胖,可能是进化产生的进食本能、工业化带来的食品过剩、和调节进食行为的脑功能被损害,三者共同作用的产物。应该说,这背后的生物学原理我们仅仅是刚刚开始有所了解。

果蝇帮我们理解大脑

我们实验室主要利用黑腹果蝇作为模型研究进食。作为实验室里常用的模式生物,果蝇在过去的一百年帮助我们理解了生物体中许多重要而保守的现象:基因的连锁和交换定律,动物体节发育的遗传规律,动物行为诸如昼夜戒律、性行为、学习记忆的遗传机理,等等等等。我们希望果蝇也帮助我们理解大脑如何感受饥饿,如何调节对食物的摄入,以及这种调节机制是如何被长期高脂肪食物摄入所破坏的。目前,我们在实验室里已经建立了定量的进食和觅食的行为模型,并且开始用这些模型系统的寻找参与感知机体能量水平,以及调控具体进食或觅食行为的特定基因和神经元。尽管在浙大开展研究的时间不长,我们已经开始做出一些有趣并且重要的发现,例如,我们发现果蝇中一种名为蟑胺(octopamine)的神经信号分子参与了果蝇觅食行为的调节,当果蝇缺失蟑胺分子的时候,果蝇能够正常的感受到饥饿并刺激其进食行为,但是在缺乏食物时却不能引发其觅食行为。非常有趣的,类似的机制在高等动物中似乎也存在:例如,我们的合作者发现,蟑胺在哺乳动物的同源分子去甲肾上腺素(norepinephrine)也起到了类似的调控觅食行为的作用。同时,高等动物中确实也存在觅食行为和进食行为被独立调节的现象。这些发现给了我们足够的信心,即果蝇中的发现确实可以帮助我们理解我们自己的大脑,理解我们如何感到饥饿,如何决定在什么时间、什么地点吃什么样的食物;以及我们为什么对美味的诱惑难以抵挡,又该如何保持健康和合理的饮食习惯。当然,回答这些问题最终的目的,还是在帮助我们理解, 关于饮食的一切是如何塑造了我们自己。

 

本文系作者为《浙江大学报》科学人谈科学栏目撰写的文章,发表前略有修改。

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发自知乎专栏「以负熵为生

作者/王立铭

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