禁食饮食背后的科学

本文最初发表于2019年1月2日。

事情太多了，很难全部吸收。

就在一年多前，亚历克斯·艾伦搬到旧金山，横跨整个国家。他找到了一份软件工程师的工作，实现了他在科技行业中心城市工作的梦想。这位24岁的年轻人喜欢这个地区的开放文化和温和、稳定的天气。他想充分利用他所选择的城市。

但社交活动不可避免地带来了问题。有时，与新朋友共进晚餐意味着他只能喝水，看着他们大吃特吃。

在过去的几年里，他开始尝试禁食饮食——每天禁食16小时，然后在八小时的窗口内进食。这让他的身体“惊醒”。在他十几岁后期和二十出头的时候，他经常举重，但也堆积了很多脂肪。他体重超过200磅，他对此感到厌倦。

于是他尝试了16小时禁食，这是一种流行的16:8方法。他还尝试了另一种流行的方案，20:4，即在24小时内只在四小时的窗口期进食。就像健美运动员换更重的杠铃一样，艾伦最终将一整天的禁食也纳入了他的日常。他的体重在四个月内降到了166磅。

他坚持在旧金山的饮食习惯，但意识到他必须经历和别人一起用餐的那一部分。“一开始有点奇怪，”艾伦说。“但我现在不介意了。它引发了很多对话。”

禁食最初是他减肥的一种方式。它很快就变成了一种生活方式。“如今，我禁食是为了其他健康益处，也因为它让我感觉很好，”艾伦说。这些益处包括更多的能量、内心的平静和头脑清晰。“我无法想象禁食不会成为我余生日常的一部分。”

艾伦是几年前开始的一种日益增长的趋势的一部分，当时禁食作为一种减肥策略引起了公众的关注。倡导者说，这种做法比其他饮食计划更容易坚持。但仅凭这一点并不能解释其持久性。禁食也有其自身的临床研究支持。

研究表明，它是一种有效的减肥策略，并且也有潜力改善正常体重人群的健康。定期实践可能会延缓与年龄相关的疾病的发生，例如癌症、2型糖尿病和。它似乎还能增强学习和记忆，并能延长寿命。

此外，禁食正在被探索作为脑损伤、各种癌症和代谢综合征的辅助治疗。这些结果大多是初步的，其中许多是动物研究的结论。

尽管如此，南加州大学细胞生物学家和禁食研究员瓦尔特·隆戈表示，禁食是身体内置的修复器。它具有治愈的力量。“但现在，因为我们一直在吃东西，这种内在修复已经被消除了，”他说。“我们不再受益于这种能力。”

卡路里限制与禁食

禁食并不是第一个让研究人员兴奋的饮食方法。在禁食之前，有卡路里限制，简称CR。这两种方法有很多共同点。总的来说，它们都大幅减少能量摄入，并带来相似的健康益处。它们在某种程度上就像兄弟姐妹，尤其是禁食研究是从卡路里限制研究中发展出来的。现在，许多前CR研究人员正在探索禁食，并经常在实验室中将两者进行比较。

尽管卡路里限制从未像禁食那样受到公众的欢迎，但它仍然是科学家研究衰老生物学的重要饮食实验。为了更好地理解当今对禁食的痴迷，我们首先需要了解CR的详情。

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卡路里限制与长寿

科学家们研究卡路里限制已有100年。在这段时间里，他们发现，日常能量摄入减少20%到40%的实验动物寿命更长，患慢性病和疾病的几率更低。这是一个令人困惑的发现：吃得比身体显然所需的更少是一种健康的策略。

直到20世纪80年代，研究人员才主要在酵母、果蝇、小鼠和大鼠身上进行卡路里限制实验。一个重要的问题仍然存在：CR对人类有效吗？

这个机会在1991年偶然出现，当时八名科学家进入了位于亚利桑那州图森附近的一个封闭式人造生态系统——生物圈2号。他们的任务是在圆顶栖息地内种植食物生活两年，以获取未来生物圈空间殖民地的信息。

内科医生罗伊·沃尔福德是其中一位科学家。他恰好也是CR的忠实追随者，最近还写了一本书，讲述了如何通过遵循该方案活到120岁。进入后不久，团队意识到他们在圆顶中种植的食物不足以维持他们的生存。于是沃尔福德实施了一项即兴的CR实验。四名男性和四名女性将他们的近似卡路里摄入量减少了30%。这实际上是第一次关于卡路里限制及其对人类影响的研究。

在2002年发表的一篇关于这项伪实验的论文中，沃尔福德和同事报告说，生物圈的工作人员身体状况良好。他们几乎所有人都降低了血压、血糖、胆固醇和其他健康指标。然而，他们的骨骼外观令人震惊。

“他们营养不良，看起来不健康，”路易斯安那州巴吞鲁日彭宁顿生物医学研究中心的代谢研究员埃里克·拉武辛说。

生物圈2号为一项前所未有的研究奠定了基础。2008年，拉武辛和合作者组织了首次严格的卡路里限制人体临床试验，名为Calerie。

这项旨在调查食物剥夺如何影响衰老过程的试验，涉及218名年龄在21至51岁之间的正常和略微超重的男性和女性。其中143人被要求遵循CR，比平时少摄入25%的卡路里——根据动物研究，这个降幅被认为是可行的。他们将在行为干预团队和营养师的帮助下，坚持这个方案两年，以确保他们获得基本营养。

大多数CR组的人完成了试验，但他们平均卡路里下降幅度仅为12%。不过，这并不重要。血压、胆固醇、血糖、胰岛素和其他生物标志物均下降，可能降低了他们患心脏病、癌症和糖尿病的风险。

试验结束后，另一个研究小组将Calerie生物标志物数据输入年龄估算算法；他们想看看卡路里限制是否可能对寿命有影响。结论令人震惊：在研究期间，遵循CR的人比对照组的人衰老得更慢。

这与研究人员在非人灵长类动物身上发现的一些情况相似。恒河猴与人类共享93%的基因组成，在圈养条件下通常能活到26岁左右。在威斯康星国家灵长类动物研究中心自1989年以来进行的一项对76只恒河猴的研究中，卡路里减少30%的猴子平均比对照组猴子多活两到三年。国家老龄化研究所自1987年以来对121只恒河猴进行的另一项正在进行的研究，尚未发现对寿命有同样的促进作用。但CR对10只晚年开始饮食的雄性猴子效果显著。至少有四只活过了40岁，其中一只活到了43岁——这是该物种的记录。

卡路里限制机制：与生命本身一样古老

尽管有研究数据，科学家仍然不完全确定CR是如何以及为什么起作用的。它可能是一种适应性，在数十亿年前，微生物在食物稀缺时试图生存而发展起来的。对**大肠杆菌**的研究表明，当从富含营养的肉汤切换到零营养时，细菌的寿命会延长四倍。

看来，限制卡路里会激活指导细胞保存资源的基因。处于饥荒模式的细胞不是生长和分裂，而是在实际中停滞不前。在这种状态下，它们大多能抵抗疾病和压力，并进入自噬，这是一个清除死亡或有毒细胞物质以及修复和回收受损成分的过程。

除此之外，根据几篇论文，在哺乳动物中，对细胞生长至关重要的激素IGF-1的产生会下降。这种激素有助于幼年个体长高变壮，但在成年人中，如果不抑制，它会增加患癌症的风险并加速衰老。

杰弗里·佩珀特参加Calerie试验时，不一定是为了潜在的抗衰老益处。他也不是纯粹为了推动细胞衰老研究。他主要是想减肥。

佩珀特48岁，身高5英尺5英寸，体重174磅。在试验期间，他将每日食物摄入量从3300卡路里减少到2475卡路里，体重降至147磅。他的健康生物标志物，尤其是血压，非常出色。“血压下降显著。这让我明白，为了我们的健康，如果我们再瘦一点，我们会更好，”印第安纳大学医学院妇科医生兼研究员佩珀特说。

隆戈说，Calerie的主要启示是，健康生物标志物可以通过体重减轻来控制。“所以，如果你的医生告诉你需要药物来控制这些，那是不正确的，”他说。

卡路里限制的副作用

虽然CR可能是代谢的奇迹，但它并非万能药。一些为实验室研究而培育的携带特定基因的小鼠从中受益甚微，并且它实际上缩短了其他转基因小鼠的寿命。剥夺可以削弱非常年轻和非常老的动物的免疫系统，使它们容易生病。尽管将卡路里减少25%已成为标准，但尚不清楚这是否最适合动物和人类。

与小鼠一样，人们对食物剥夺的反应也不同。近年来，科学家们了解到遗传、饮食构成（碳水化合物、蛋白质和脂肪的量）、定期锻炼和其他因素在CR的有效性中发挥作用。

佩珀特在Calerie试验中的经历指出了这些问题。尽管他的生物标志物表现出色，但他仍有睡眠困难、性欲减退、精力不足，而且大部分时间都感到饥饿。“我以前喜欢园艺，”现在57岁的佩珀特说。但在试验期间，“我推着一车泥土，感觉很虚弱。我不是我自己了。”

这些类型的副作用在CR节食者中并非普遍存在，但有几个人因安全问题不得不退出研究。CR的显著副作用是骨密度和瘦体重慢性流失，以及过度减肥。隆戈说，一些CR节食者的身体质量指数（BMI）处于十几岁，这表明营养不良和虚弱。

卡路里限制也可能导致心理问题。这些问题在Calerie试验中是最小的，但拉武辛说，这很可能是因为人们筛查了易感因素：食物幻想、易怒和社交孤立，他说。一些生物圈2号的科学家说，在他们21个月的剥夺期间，他们变得脾气暴躁，对食物痴迷。

夏威夷大学的心理学家凯利·维图塞克曾撰写关于CR的评论论文，她说这些问题从进化的角度来看是合理的；食物是我们的首要任务之一。“不要把时间浪费在其他事情上，”她说。“思考食物，而不是社交，而不是性。专注于食物。获取它。”

在生物圈2号实验和Calerie试验期间，一些研究人员希望CR能成为一种可行的方案。但这种热情已经大大降温。虽然副作用是一个问题，但人们无法每天坚持显著减少卡路里摄入量才是致命打击。此时，禁食是CR的明显继承者：偶尔不吃东西似乎比一直少吃更好。

禁食减肥

禁食在人类文化中根深蒂固。它在各种宗教中实践了数千年，古希腊人惊叹于它对身体和心灵的影响。几个世纪以来，医生们注意到它能减少癫痫发作。16世纪的德瑞医生帕拉塞尔苏斯称之为“内在的医生”。

但直到20世纪40年代，作为CR研究的延伸，才开始进行首次实验。英国曼彻斯特的研究营养师米歇尔·哈维说，研究人员开始每隔一天不给实验动物喂食。1946年，《营养学杂志》发表了第一项关于禁食的研究，表明每三天剥夺食物的老鼠比对照组动物寿命更长，患肿瘤的可能性更小。后来的研究表明，禁食会刺激类似于CR的代谢变化。

到21世纪初，一些禁食研究显示出比CR更好的结果。在2003年的一项实验中，约翰霍普金斯大学和国家老龄化研究所的神经科学家马克·马特森发现，每隔一天喂食一次的老鼠比卡路里限制40%的老鼠更健康。

2012年，BBC评论员迈克尔·莫斯利播出了关于这种饮食的流行电视纪录片，禁食的理念因此普及开来。次年，一本畅销书《快速饮食》随之问世。

随着禁食的日益流行，科学家和营养学家开发了不同的实践方法。有些人，比如艾伦，实行限时进食，比如20:4方案。有些人将这种方法推到23:1，将所有进食都限制在24小时内的一小时内。其他方法则将禁食日分散在一周内，比如5:2方法——七天内禁食两天。一些狂热者还通过几天长的禁食来补充他们的实践。

马特森说，尽管人们通常认为禁食只喝水，但这些计划中最受欢迎的一种允许在“禁食”日摄入卡路里——只是不足以阻碍这种做法的健康生理效应。

2012年，住在海峡群岛的卡罗琳·科尔宾亲身经历了禁食的灵活性。科尔宾身高5英尺2英寸，体重159磅，超重，BMI为29.1。看了莫斯利的BBC节目后，她开始实行5:2方案，每周两天摄入500卡路里，其余时间正常饮食。她很快转为每周两天只喝水禁食。自从实行这种做法以来，这位65岁的老人减掉了35磅并保持住了。“忘掉卡路里计算、节食食品和节食饮料吧，”科尔宾说。“禁食减肥是有效的。”

除了科尔宾的轶事经验，还有更多证据表明禁食可以帮助人们减肥。在一项为期一年的研究中，100名年龄在18至64岁的肥胖成年人被分为三组。一组实行隔日禁食，每隔一天减少75%的卡路里摄入；另一组遵循CR，每天限制25%的卡路里；其余的人在对照组中。根据2017年发表在《美国医学会内科杂志》上的论文，与对照组相比，禁食者平均减重6%，而分配到CR组的人平均减重约5%。

即使有这些结果，禁食的一个担忧是人们会在非禁食日暴饮暴食。但是2018年发表在《食品科学与营养》杂志上的为期两个月的试验结果表明，节食者，特别是那些遵循5:2的人，并没有暴饮暴食。“当你实行两天70%的卡路里限制时，他们在正常日子里大约少吃25%，”研究作者之一兼5:2饮食共同开发者哈维说。“这就是这种饮食如此有效的原因。”

禁食饮食计划

流行的纯水或低卡路里（500-600）禁食计划

1. 限时进食：在24小时内特定时间窗口内进食。最受欢迎的是18:6，即在24小时内只在六小时内进食。其他变体有20:4、22:2和23:1。2. 隔日禁食：每隔一天禁食。3. 间歇性禁食：每周禁食一天或几天。最受欢迎的是5:2——每周正常饮食五天，禁食两天。

卡路里能降到多低？

人们可以在没有食物和水的情况下生活数天，或者只喝水生活数周或数月。在实验动物中，当卡路里摄入量减少超过50%时，它们最终会死于饥饿引起的并发症。在饥饿的最后阶段，身体耗尽葡萄糖和脂肪酸，转而利用肌肉蛋白质获取能量。当人体质量指数（BMI）约为12时，人类就会死亡。

成人BMI范围

身体质量指数（BMI）利用身高和体重来衡量一个人的体重是否健康。（计算方法：体重（磅）乘以703，除以身高（英寸），再除以身高（英寸）。）尽管它不测量体脂，但BMI已被证明与代谢和疾病风险密切相关。一般来说，BMI达到30及以上或低于18.5的人，健康风险会增加。

禁食背后的科学：酮体连接

禁食比CR更能改善人们的健康吗？这远未明确。然而，啮齿动物实验表明，它可能更善于增强认知能力。

多年来，研究人员发现，当饥饿时，小鼠和大鼠在认知测试中表现良好。在隔日禁食期间，啮齿动物的耐力、感官、记忆力和学习能力都有所提高。

那么，这种精神状态的提高是如何解释的呢？马特森及其同事2月份发表在实验生物学杂志《FASEB》上的一篇论文指出，禁食似乎引发了身体代谢的显著转变。在人类中，禁食12小时或更长时间会降低糖原（一种细胞葡萄糖形式）的水平。就像切换到备用油箱一样，身体从葡萄糖转向脂肪酸，这是一种更有效的燃料。这种转换会产生酮体，酮体是肝脏中产生的能量分子。“当脂肪被动员并用于产生酮体时，我们认为这是获得健康益处的关键因素，”马特森说。

一种充满大脑的酮体是β-羟基丁酸，简称BHB。根据2月份发表在《自然评论神经科学》上的一篇论文，BHB能刺激小鼠的记忆、学习和细胞自噬过程。BHB还能触发神经元，包括海马体（大脑中的记忆中心）中的神经元，释放脑源性神经营养因子（BDNF），这是一种对学习、记忆和改善情绪都很重要的蛋白质。CR不会产生这种水平的酮体，因为葡萄糖储备从未耗尽。

马特森指出，从进化的角度来看，禁食所产生的脑力是有道理的。哺乳动物通常会几天不进食，经常空腹捕猎。半饥饿的动物如果智力和能量增强，就更有可能获得食物并多活一天。“如果你是那只狼或狮子，一周没有食物，你最好能集中精力，专注于你需要做什么来获取食物，”他说。

酮体也可能有助于解释围绕脑损伤和疾病的几个谜团。例如，根据几项研究，禁食的啮齿动物从脑部创伤和脊髓损伤中恢复得更彻底。

禁食饮食有什么副作用？

但禁食也有其自身的注意事项：暴饮暴食、低血压、易怒和头痛的风险更高。后两者往往会在几周后消失，因为身体会适应较少的卡路里。不过，长时间的禁食可能会导致昏厥。医生建议只在医生的指导下进行。

CR研究员拉武辛不相信禁食比CR提供更多益处，也不相信酮体像马特森和隆戈所说的那样强大。“酮体是抑制食欲的好东西，但它们对细胞健康有益吗？”他问道。“我还没有看到令人信服的数据能证明这一点。”

哈维认为禁食可能会持续下去，部分原因在于它的灵活性。她说，人们可以选择适合自己生活方式的禁食方式和营养计划。“我们都在争论哪种饮食更好。但归根结底，一种饮食的好坏取决于遵循它的人，”哈维说。“对某些人来说，5:2方案可能很完美，而对另一些人来说，它可能绝对糟糕。”

心理学家维图塞克以前见过这种热情——那是针对CR的。卡路里限制从未达到禁食的普及程度，但在21世纪，它也有一些非专业追随者，当时她有机会与一个实践该方法的小组成员交谈。最初，他们兴奋而充满动力。然后，像大多数节食者一样，大多数人开始放弃。一些多年实行CR的人根本无法再继续下去。“你可以把这当作定论，”维图塞克谈到节食者热情减退时说。“这就是为什么我们有这些周期性的浪潮。”

对佩珀特来说，这是一段起伏不定的旅程。他一直与体重作斗争，肥胖在他的家族中也很常见。在Calerie试验几年后，他体重反弹，不仅恢复了减掉的体重，还增加了6磅。“那种两年剧烈减少卡路里摄入量的方案，可能不是一个可持续的、适合终身减肥的好计划，”他说。

当禁食作为一种饮食方式出现时，佩珀特持怀疑态度。但今年3月，他开始实行5:2方案。他说，一开始很艰难，但到仲夏时，他已经减掉了9磅。他希望再减掉10到15磅。“它帮助我控制了饥饿感，”佩珀特说。考虑到他之前CR的经验，“没有副作用。”

禁食捷径

尽管禁食和卡路里限制都能带来健康益处，但两者都需要少吃——这对大多数人来说并不吸引人。因此，科学家和营养学家一直在尝试通过各种方法来模拟长时间食物剥夺所带来的生物化学和生理效应。

生酮饮食

当身体在12小时或更长时间内没有食物，将能量来源从碳水化合物和葡萄糖转向脂肪酸时，就会发生酮症。这个过程会产生酮体，可能对健康有益。

生酮饮食，由低碳水化合物、高蛋白和高脂肪食物组成，也可以引发这种代谢转换。自20世纪20年代以来，生酮饮食一直用于医学，以减少癫痫发作。最近，这种饮食已作为2型糖尿病和癌症标准治疗的补充，并取得了可喜的成果。

在过去的几年里，生酮饮食获得了主流的欢迎。一些名人和体育明星追捧它，而禁食者则利用这种方案进一步推动身体进入酮症状态。

但营养研究员米歇尔·哈维提醒追随者要小心。实行生酮饮食的人往往会减肥，但这种饮食膳食纤维含量低，饱和脂肪含量高，这会增加心血管疾病的风险。“而且越来越多的证据表明，它对肠道微生物组的影响相当不利，”哈维说。“肠道微生物组是一个人们知之甚少但可能对我们的代谢健康至关重要的部分。如果你搞砸了，你就麻烦了。”

禁食模拟饮食

南加州大学的细胞生物学家瓦尔特·隆戈开发了ProLon，这是一种为期五天的饮食，模仿五天的禁食，但不会损失必需营养素。这是一种全素饮食，富含不饱和脂肪（如杏仁、鳄梨和花生酱），低糖和低蛋白。

在2017年发表在《科学转化医学》上的一项研究中，71名完成禁食模拟饮食的参与者显示出健康益处，包括体重减轻、血压降低以及IGF-1激素水平下降。IGF-1激素主要刺激生长，但也参与调节血糖水平。而且，根据你的健康状况，你可能不需要坚持这种饮食太长时间。例如，隆戈说，一名健康的运动员可能每年只需做两次，而超重的人可能需要继续下去，直到看到他们想要的改善。

药理学

目前正在探索用于治疗慢性疾病（如癫痫和2型糖尿病）的药物，以模拟禁食的效果。主要参与者包括雷帕霉素、二甲双胍、白藜芦醇和羟基柠檬酸。这些药物显示出前景，但也存在缺点。

例如，雷帕霉素会欺骗细胞，让它们认为自己营养匮乏，从而触发禁食中看到的细胞再生，但它也会抑制免疫系统。这在医学场景中很有用，例如防止移植后的器官排斥或治疗自身免疫性疾病，但对普通节食者来说就不那么好了。