本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
您很可能有時會思考卡路里。它們是宇宙中最常被計算的事物之一。最初構想卡路里時，它是在人類工作的背景下提出的。更多的卡路里意味著更多的工作能力，更多的化學能量來完成工作，就像人類爐子裡的煤炭。據估計，脂肪每克含有九卡路里，而碳水化合物和蛋白質只有四卡路里；纖維有時單獨計算，並被授予微不足道的兩卡路里。您買過的每盒食品都根據這些估計值進行標籤；那麼糟糕的是，它們常常是錯誤的。
食物並非等同——對不同種類食物中卡路里數量的估計，衡量的是我們僅根據脂肪、碳水化合物、蛋白質以及有時是纖維的比例，可以從這些食物中獲得的平均卡路里數量（本質上，攝入的卡路里減去排出的卡路里）。存在各種標準系統，所有這些系統都源於威爾伯·阿特沃特一百多年前開發的原始系統。它們都是平均值系統。沒有食物是平均的。
即使在給定種類的食物中也存在差異。以煮熟的蔬菜為例。一些植物的細胞壁比其他植物的更難分解；當然，自然界的一切都各不相同。如果我們吃的植物材料的細胞壁被破壞得更多，我們就可以從裡面的好東西中獲得更多的卡路里。在某些植物中，烹飪會破壞大多數細胞壁；而在另一些植物中，例如木薯，細胞壁保持堅固，並將它們珍貴的卡路里囤積起來，以至於許多卡路里完整地透過我們的身體。
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但這不僅僅是煮熟的蔬菜。堅果公然我行我素，考慮到堅果實際上是種子，其母體投入精力使其逃脫消化，這可能是意料之中的。花生、開心果和杏仁似乎比它們蛋白質、脂肪、碳水化合物和纖維的含量所暗示的更難完全消化。究竟難消化多少？就在本月，美國農業部珍妮特·諾沃特尼及其同事的一項新研究發現，當“普通”人吃杏仁時，她每份只能獲得 128 卡路里，而不是“標籤上”的 170 卡路里。
[圖片 1. 我們身體無法消化的部分卡路里流向了蜣螂和蒼蠅，它們的帝國在我們效率低下的地方崛起。圖為 Garreta nitens 物種，由 Piotr Naskrecki 拍攝]
目前尚不完全清楚為什麼杏仁或開心果等堅果產生的卡路里比它們“應該”產生的要少。堅韌的細胞壁？也許是。但如果不是堅果本身，那麼對於其他食物來說，還有其他選擇。
首先，我們的身體似乎需要消耗不同數量的能量來處理不同種類的食物（消耗的能量產生熱量，因此被科學家稱為“飲食誘導生熱作用”）；有些食物需要我們付出比其他食物更多的工作。蛋白質消化所需的熱能可能是脂肪的十到二十倍，但包裝上根本沒有考慮到作為熱能損失的卡路里。
其次，食物在我們的腸道中消化方式和地點有所不同。有些食物，如蜂蜜，非常容易被利用，以至於我們的消化系統實際上甚至沒有得到很好的利用。它們在小腸中被吸收；遊戲幾乎結束。另一方面，更復雜的食物，如木薯或杏仁，必須到達結腸，在那裡它們會遇到我們小友——微生物的最大濃度。在我們的數萬億微生物的幫助下，消化繼續進行，但營養物質在我們和它們之間共享。微生物幫助分解我們自身身體無法分解的許多化合物，並在這樣做時繼續產生微生物、氣體（如甲烷）和脂肪酸的混合物。與微生物共享的這個過程相關的核算在卡路里計數中沒有考慮。
最後，有些食物需要我們的免疫系統參與消化，以處理潛在的病原體。沒有人非常認真地評估這可能涉及多少卡路里，但可能相當多。一塊有點生的肉可能含有許多有趣的物種，供我們的免疫系統處理。即使我們的免疫系統沒有攻擊我們食物中的任何物種，它也會使用能量來邁出區分好壞的第一步。
不同食物的命運之間存在如此多的差異，以至於食物中卡路里數量的估計值和真實數量幾乎不可能很好地對應起來。而且我們甚至還沒有談到卡路里並非總是卡路里的最大方式，即加工。
在最近發表在《美國國家科學院院刊》上的一篇論文中，哈佛大學的雷切爾·卡莫迪及其合作者研究了兩種最古老的食物加工形式——烹飪和研磨（技術上在他們的研究中是搗碎）——對這些相同食物中可用卡路里的影響。
卡莫迪從她之前的工作中瞭解到，像紅薯中的澱粉這樣的澱粉，烹飪得越多，可用於消化的卡路里就越多（至少在一定程度上）。因此，您烹飪的兩個紅薯永遠不會具有完全相同的卡路里數量，因為它們的生長方式不同，而且您的烹飪方式也會略有不同。但是，卡莫迪想知道，肉類呢？肉類相對容易消化；它的卡路里可能與壽司中的卡路里一樣容易獲得，也可能與麥當勞漢堡包中的卡路里一樣容易獲得。當然，肉就是肉，這是我們對卡路里估計值唯一正確的事情。錯了。
消化很難研究。很難讓參與者，即使是大學生，連續幾天只吃生牛肉。卡莫迪和她的同事透過研究小鼠繞過了這個問題；他們監測了餵食不同飲食的小鼠的體重。小鼠對它們的消化也很保密，因此卡莫迪必須測量小鼠的移動方式以及它們體重的增加量，以此來指示沒有透過糞便等低效率方式損失的能量量。在所有條件相同的情況下，小鼠在給定飲食下變得越大，它們獲得的卡路里就越多。卡莫迪給成年雄性小鼠餵食有機紅薯（本質上是為了重新測試已知的東西）或有機瘦牛肉。這些食物以生的和完整的、生的和搗碎的、煮熟的和完整的或煮熟的和搗碎的方式提供。標準的卡路里系統，即用於在您在商店購買的食物上標示數字的系統，假設（因此也預測）這些對卡路里含量沒有影響；但它們會嗎？允許小鼠儘可能多地吃，並且密切監測它們的攝入量（卡莫迪必須從籠子裡撿起每一塊未吃完的食物）。
[圖片 2. 人體腸道示意圖。圖片由 Dflock 在維基共享資源提供。]
不同飲食的小鼠的運動量大致相同。它們都有一個輪子可以跑，並且在跑步的意願方面，它們在不同的處理方式之間沒有差異。然而，它們在研究結束時的體重卻有所不同。正如預測的那樣，小鼠在生紅薯上減輕了四克以上的體重，但在餵食煮熟的紅薯（無論是否搗碎）時體重卻增加了。但是肉類呢？煮熟的肉更容易消化。小鼠在生肉上減輕了 2 克體重，但在熟肉上僅減輕了 1 克體重。事後看來，這似乎並不令人驚訝。熱量使蛋白質變性，使其更容易消化。熱量還可以殺死細菌，並可能透過減少免疫系統必須做的工作來降低食用肉類的免疫成本，從而使身體能夠以給定的卡路里數量製造更多的身體。
總的來說，似乎食物加工得越多，它們實際上就越能給我們包裝盒、袋子或其他標籤上看到的卡路里數量。這不僅適用於烹飪和搗碎，也適用於工業加工。最近的一項研究發現，作為實驗的一部分，食用 600 或 800 卡路里份量的全麥麵包（上面有堅果和種子）和切達乳酪的個體人類，在消化該食物時實際消耗的能量是食用相同數量的白麵包和“加工乳酪產品”的個體人類的兩倍，是的，是兩倍。” 因此，全食物食用者獲得的淨卡路里數量比加工食品食用者獲得的數量少百分之十（因為他們在消化過程中消耗了一些卡路里）。在蟒蛇身上進行的類似工作表明，煮熟和/或磨碎的肉也需要更少的能量來消化（至少對於蟒蛇而言）。如果您想要更多的卡路里，無論您是不是蛇，都要烹飪、搗碎並以其他方式預消化您的食物。
身體並非等同——令人驚訝的是，卡路里並非總是卡路里還有更多方式。即使兩個人以某種方式吃了相同烹飪方式的相同紅薯，他們也不會獲得相同數量的卡路里。卡莫迪及其同事研究了一種單一的重度近交系實驗小鼠，因此他們的小鼠彼此之間儘可能相似。然而，由於可能由於它們的行為或身體的細微差異，小鼠在給定飲食下的生長或縮小程度仍然不同。人類在幾乎所有特徵上都各不相同，無論是身高、膚色還是腸道。早在測量這種多樣性成為熱潮時，歐洲科學家就發現俄羅斯人的腸道比義大利人的腸道長約五英尺。這意味著那些吃與義大利人相同食物量的俄羅斯人可能會從中獲得更多。俄羅斯人曾經（或現在）擁有更長腸道的真正原因仍然是一個懸而未決的問題。當然，其他民族的腸道也有所不同；腸道需要更多的研究，儘管我不打算自願去做這項骯髒的工作。我們在產生特定酶的數量上也各不相同；食用大量澱粉類食物的人的後代往往會產生更多的澱粉酶，即分解澱粉的酶。然後是我們的身體用來消化牛奶中乳糖的酶，乳糖酶。許多（有些人說是大多數）成年人乳糖不耐受；他們不產生乳糖酶，因此不分解牛奶中的乳糖。因此，即使他們喝牛奶，他們從中獲得的卡路里也遠遠少於產生乳糖酶的個體。由於我們是誰以及我們的祖先是誰，我們每個人從相同的食物中獲得的卡路里數量都不同。
微生物並非等同——最後，一個神奇的真實新文獻考慮了人體內外的微生物。多年來我們都知道，我們身上覆蓋著微生物，它們很重要（非常重要），但直到最近，對這些微生物的研究才變得很酷，部分歸功於新工具。林恩·馬古利斯在 1960 年代後期就提出，生物幾乎都參與了共生，這些共生定義了它們是誰。更廣泛的生物學文獻現在已經接受了她這種瘋狂的洞見並對其進行了重新命名，但這並不意味著研究人類共生體很容易。馬古利斯研究了原生生物和白蟻的共生體（我們現在稱之為它們的微生物組）。她可以在原生生物還活著的時候觀察它們的共生體，她可以切開白蟻（她這樣做了數百次；這是她最大的樂趣之一。）。對於人類，對共生體的研究通常涉及糞便樣本，這有點像透過觀察熔岩來研究地球中心，如果，我想，熔岩是糞便的話。宏偉之處有所缺失。最近關於人類共生體的文獻令人驚歎，但仍然在理解的邊緣摸索。科學家們研究了來自新澤西州十二位白人老兄的糞便中的微生物，並宣佈了關於全人類的宣告。如果有人聲稱已經理解了我們腸道中微生物的簡單真相，那麼對其持懷疑態度是合理的。
儘管如此，個體人類之間共生體的差異似乎確實會影響他們消化食物的方式——個體的新陳代謝似乎因他們擁有的微生物而異。此外，某些微生物僅在特定人群中發現，它們似乎在其中發揮著獨特的作用。在日本的一些人群中，生活著一種從海洋細菌中竊取了基因的腸道微生物；這些基因幫助細菌分解海藻（如壽司卷中遇到的海藻）。您如何消化食物取決於您擁有哪些微生物，而您擁有哪些微生物因人而異。不同的食物既可以影響我們的微生物，也可以受到我們微生物的影響。美國西南部的狩獵採集者飲食曾經富含我們的身體無法消化但很容易被微生物消化的化合物。相反，許多現代飲食為微生物提供的優質食物很少，這很可能對我們不利。微生物似乎很可能在乳酪產品和白麵包的飲食中受苦，因為它們在到達結腸之前就被用完了。馬古利斯四十年前根據白蟻預測了所有這一切（我們似乎更容易接受小鼠作為我們身體的模型，而不是白蟻）。但重點是，您的微生物與我的微生物不同，這很可能對消化很重要；我們只是還不能真正清楚地說出如何重要。
卡路里並非總是卡路里——總而言之，好訊息是我們已經弄清楚如何製造和食用卡路里最大化可用的食物。我們加工它們。我們烹飪它們。我們發酵它們。我們再次烹飪它們，直到它們實際上給我們提供與包裝盒上所說的卡路里一樣多的卡路里。有人（此時相當多的理性研究人員；參見 http://www.pnas.org/content/108/35/14555.short）似是而非地論證說，使我們早期人類飲食獨一無二的是烹飪，而烹飪反過來又導致了我們身體的一些形態變化（更大的大腦，相對較小的腸道）以及許多社會變化。我們的祖先可能將對熟食的偏好與按需製作熟食的獨特能力結合起來。有趣的是，卡莫迪研究中的小鼠不僅從熟肉中獲得了更多能量，而且它們也更喜歡熟肉。但儘管它們喜歡烤牛排，但它們永遠不會發明烹飪。我們做到了。如果這個想法是正確的，那麼我們作為獨特的近代史所繼承的不是對某種特定數量的肉類或脂肪的需求，而是對儘可能多地快速獲取卡路里的偏好，這樣我們才可能有休閒時間來發明、組織和互相發簡訊。
因此，人類的聰明才智證明了我們現在已經弄清楚如何儘可能多地在我們的食物中提供卡路里。我們甚至真的不需要我們的腸道做太多工作，我們的細菌也不需要，甚至我們的牙齒也不需要。我們的現代飲食衡量了我們進化的成功，或者至少從我們古老的祖先的角度來看是這樣的，他們需要並想要過多的卡路里。從我們現代的角度來看，它們並不是成功。我們現在有太多的卡路里，而且其中太多的卡路里質量低下。三分之一的美國人現在肥胖。在過去的三十年裡，我們吃的卡路里數量增加了，但來自高度加工食品的卡路里數量也增加了。鑑於此，我們最好少吃加工食品，多吃生食。這不是一個新穎的見解（畢竟，這些食物往往含有更多的營養物質，如 B 族維生素、植物營養素和礦物質，因此它們對我們有益的原因與計算卡路里無關）。但可能新穎的是意識到，在吃這些食物時，您可以在保持您消耗的卡路里的精確計數完全相同的情況下減輕體重。然而，這種認識與另一種認識齊頭並進，即您減輕多少體重取決於您選擇食用的動植物的生物學特性以及您和您的微生物是誰，而我們才剛剛開始瞭解這些方面。
注：要了解更多關於我們與其他物種（無論是食物、捕食者、寄生蟲還是微小的合作伙伴）互動的生態和進化故事，請檢視我們身體的野性生活。