体重はカロリーだ！

前回は、
脂肪の合成速度を増減させるしくみを研究しても、肥満を減らすのに役立たない、
それは、エネルギー保存の法則で考えると分かる、
という話をしました。 

今回も、エネルギー保存の法則を使って、今まで曖昧だったことをくっきりさせ、
ダイエットの成功に役立つ話を２つします。 

エネルギー保存の法則について考えるときには、
物事を明確にするため、必ず「周囲と区別された空間」について考えます。
それには、２通りありますが、どちらも常識的な話で難しいものではありません。

密閉・断熱された空間で、化学反応が起きても、総エネルギーは同じ

１つ目の、周囲と区別されている空間は、
周囲と、物質やエネルギー（熱）の出入りがない空間です。
この空間を考えるのは、その中でエネルギーが保存されていることを考えるときです。
その中では、どんなことが起こってもエネルギーは保存されています。

例として、密閉・断熱された容器の中で、
ブドウ糖を酸素と化合させて、二酸化炭素や水と熱エネルギーが出るときの反応を考えます。この反応を式で書くと、（燃焼の熱化学方程式）

　　ブドウ糖＋酸素　　　＝　二酸化炭素＋水　＋　（熱）エネルギー　…（１）
　　　　　　↑　            　　　　　　　　　↑
　　反応前の物質（＋Ｅ）　　反応後の物質（＋Ｅ）

 となります。

反応の前後で、空間内部の総エネルギーは変わらない、
にもかかわらず、反応の後で熱エネルギーが出ている。それは、
ブドウ糖と酸素が持っていたエネルギー（Ｅ）より、
二酸化炭素や水が持っているエネルギー（Ｅ）のほうが少ない分だけ、
エネルギーが熱として出てくるからだ
と考えます。

この時に出る熱が、ブドウ糖1g当たり4kcalであるとか、
脂肪なら1g当たり9kcal、
蛋白質は1g当たり4kcal
であるとかは、知っている人も多いでしょう。

また、反応に必要な酸素の量や、できる二酸化炭素の量も分かっているので、
これらを測定することで反対に、
体の中で燃えたブドウ糖の量や、出た熱エネルギーの量を計算で求めることもできます。

空間に、物質やエネルギーが出入りすると、その分だけエネルギーが増減する

２つ目の、周囲と区別されている空間は、周囲と物質やエネルギーが出入りする空間です。
人間の体は、周囲から明らかに区別されているので、これを空間の例としてみます。

この空間に、外からブドウ糖などの物質が加えられた後、空間の中で酸素と化合（酸化）するときにはエネルギーを出します。
ですから、加えられた時点で、空間内にエネルギーが貯えられたことになります（貯蔵エネルギーの増加）。

また、空間内の物質が酸化され、そのエネルギーが外に出たときには、空間内部に貯えられていたエネルギーはその分減ることになります（貯蔵エネルギーの減少）。

これらのエネルギーの出入りと、貯蔵エネルギーの関係を式に書くと、

　　摂取エネルギー　＝　貯蔵エネルギーの増減　＋　消費エネルギー　…（２）

ということになります。

この式が表している、エネルギー保存の法則に対して矛盾のない主張をするためには、
（後で実際に考えますが）
体の物質全体で、
1日や1カ月など、一区切りとして十分な時間の後で、
状態がどう変わるかを見なければなりません。

蛋白質、脂肪、糖質の分解や合成は、体の中で絶えず行われています。
そのめまぐるしさに目を奪われて、
一部の物質について、不十分な時間しか観察・測定しないで、
エネルギー保存の法則に矛盾した主張をすることがあるかもしれません。

矛盾した主張は、全体を通してみると誤っていることになるので、
それにしたがって何か実行しても、（前回の記事のように）効果は出ないことになります。

もし、観察・測定結果がエネルギー保存の法則に矛盾しているときは、
（その前に、まず、
　矛盾していないかどうか検討してみようとすることが大切ですが…）
「この結果はエネルギー保存の法則に矛盾しているから、
　反対方向の別の反応が存在するはずだ」
と結論付けないと、前回の記事で述べたように、その研究は結局全部否定されることになります。

反応前と後の状態がどちらも同じなら、出入りするエネルギー量も同じ（ヘスの法則）

さて、人間の体の中では、ブドウ糖が二酸化炭素と水になるまでに、
いくつもの段階でエネルギーを出したり、もらったりしています。
出したエネルギーの合計から、もらったエネルギーの合計を引くと、
ブドウ糖を酸素中で燃焼させたとき

　　ブドウ糖＋酸素　＝　二酸化炭素＋水　＋　（熱）エネルギー　…（１）

と同じ量のエネルギーが出ます。
エネルギーが外から入ったときは、その空間の内部エネルギーが増え、
エネルギーが出て行くと空間内部のエネルギーが減り、
それらは全て積み上がっていく（保存される）からです。

その他、どんな化学反応でも、
反応の前（ブドウ糖＋酸素）と、後（二酸化炭素＋水）の状態が同じであれば、
出入りするエネルギーの量は同じであることが分かっていて、
ヘスの法則（化学分野での保存の法則）と呼ばれています。

この法則から、体の中で
ブドウ糖をそのまま燃焼しても、
ブドウ糖を、脂肪に合成してから、燃焼しても、
その時に出るエネルギーは同じだということが分かります。

余分に摂った蛋白質のエネルギーは脂肪のエネルギーとして貯えられる

このように、多段階の反応の度にエネルギーの出入りがあっても、

　　初めと終わりの状態だけ考えればよい、

というのと同じ考え方で、

　　体に糖質や蛋白質として貯えられているエネルギーは一定

であることも分かります。

体に糖質として貯えられるエネルギー：
糖質のうち、血液中のブドウ糖は、糖尿病がなければ一定の範囲に保たれています。
また、ブドウ糖から作られて筋肉や肝臓に含まれるグリコーゲンも糖質の仲間で
（ブドウ糖と同じ1g当たり4kcalの）エネルギーを貯えています。
多少の増減があっても、数日単位でみると、その質量は一定、
そして、糖質の形で体に貯えられたエネルギーも一定（貯蔵エネルギー変化は０）と見ることができます。　…図１-１)

ということは、
食物から摂り入れた糖質は、同じ量の^注１糖質が燃えて、二酸化炭素と水ができ、
できた熱エネルギーが消費エネルギーとして体から出て行ったことになります。　…図１-2)

もし、糖質として摂取されたエネルギーが、消費されたエネルギーより多いときは、
脂肪の合成に使われて、体の中にエネルギーとして貯えられることになります。

貯えられる脂肪のエネルギー量は、
原料（燃料）として使った糖質のエネルギーと等しいので、
糖質9g（4×9＝36kcal）から、4g（9×4＝36kcal）の割合で、
脂肪が合成されることになります。

体に蛋白質として貯えられるエネルギー：
筋肉や内臓には大量の蛋白質が含まれています。（体蛋白：体重の20%）
もし、新たに無酸素運動を始めたり、増やしたりすれば、
筋肉量が増え、それに応じた分だけ蛋白質としてエネルギーを貯えることができます。
しかし、通常の生活を続けているときには、筋肉が増えて体蛋白の量が増える、ということはありません。

体蛋白の一部（１日当たり体重の0.1%）は、分解され、
エネルギーとして消費されています。
分解された蛋白質は、同じ量^注２だけ、食事で摂った蛋白質から補充されるので、
体蛋白の総量に変化はありません。　…図２-1)
（私たちの体に出入りする物質も、
　「ゆく河の流れは絶えずして、しかももとの水にあらず」
　です）

蛋白質として摂取されたエネルギーのうち消費されずに余った分は、
脂肪の合成に使われて、体脂肪として貯えられることになります。
　…図２-2)　　（え？？？と思った人は→１、２、３、４）

蛋白質から脂肪が合成されるときにも、
原料（燃料）にした蛋白質9g（4×9＝36kcal）と等しいエネルギーの脂肪4g（9×4＝36kcal）が合成されます。

　　　1) 体蛋白の一部（体重の0.1%）は、毎日エネルギーとして消費されるが、
　　　　　摂取した蛋白質で補充される。
　　　2) 蛋白質は、有効な無酸素運動で筋肉が増えない限りは、
　　　　　余分に貯えることはできないから、
　　　　　摂取されたエネルギーから消費されたエネルギーを引いた360kcal
　　　　　すなわち40gの体脂肪が貯えられる。
　　　　　これを1か月間続けると、40×30＝1200g＝1.2kgの体脂肪が増える。

結局、

　　蛋白質に糖質と同じエネルギーがあり、肥満の原因になっている

ことが言いたかったわけですが、これまでの説明を振り返ると、

　　ヘスの法則（エネルギー保存の法則）で、初めと終わりが同じ反応
　　［　糖質（１ｇ）＋酸素　＝　二酸化炭素＋水　＋　エネルギー（4kcal）　］
　　なら、断熱容器の中でも人体でも同じエネルギーが出る、
　　人体では糖質の燃え残りで脂肪を作る、
　　これは、蛋白質（1g）の反応でも、全く同じ

というだけで、話の筋をひとつひとつ追っていけば難しい話ではありません。

にもかかわらず、これに気づかなかったのは、
「蛋白質＝体を作っている材料」という知識が強固に（しぶとく、とも言います）
残っていて、検討してみようとしなかったことが原因でしょう。

注１、注２：
「同じ量の」というのは、
取り入れた蛋白質や糖質の分子がそのまま燃える（分解される）のではなく、
もともと体に含まれていた分子が燃えて体から出て行き、
その分だけ、取り入れた分子が体を作っている分子になる（合成される）
「入れ替わり」があることを意味しています。（…もとの水にあらず）
このように、「分解される量」、「合成される量」が分からなくても、
　　一定時間の初めと終わりの状態を見て、
　　変化がなければ、「分解される量＝合成される量」だということが分かり、
　　変化があれば、その差が「差し引き」いくらであるかに注目する
という、ヘスの法則（エネルギー保存の法則）と共通の考え方は、
物事をくっきりと捉えるのに有効な方法です。

短時間の有酸素運動でも、体脂肪は減少する

運動を始めたときのエネルギーは、
血中のブドウ糖や、筋肉に貯蔵してあるグリコーゲン（上に書いたように糖質の仲間です）を燃焼させることによってまかなわれ、
脂肪が酸化されにくいことは、よく知られています。

これは、糖質が燃えるときは、吸った酸素と吐いた二酸化炭素の体積は等しいが、
脂肪が燃えるときは、酸素より二酸化炭素のほうが少ないという現象（呼吸商）を使って確かめられています。

30分だけ歩いたときの消費エネルギーが90kcalだとすると、
そのエネルギーは、体に貯えられた糖質を23g（≒90÷4）燃焼させることで得られます。　…図３-1)

燃焼された糖質は、そのあと食事から摂った糖質で補充されて　　…図３-2)
元の量に戻ります。

摂取した糖質が今までと同じ量なら（増えると運動の効果は帳消しです）、
今まで糖質を燃焼して得ていた消費エネルギー量のうち、
グリコーゲンの補充に使われたエネルギー量が不足するので、
その分のエネルギーは、脂肪を燃焼して得るようになり、
結局は体脂肪が減ります。　…図３-3)

幸い、安静時に消費されるエネルギーは、
糖質を燃やすよりも、脂肪を燃やすほうから供給されやすいので、
エネルギーの供給源が、一部、糖質から脂質に移っても、支障は起きません。

もしエネルギーが脂肪から供給されなければ、生命活動に支障をきたすでしょうし、
エネルギーが脂肪から供給されなくてもどこかから降ったり湧いたりする、のなら、
エネルギー保存の法則を犯して、科学とは別の世界の話になってしまいます。

さて、短時間の有酸素運動でも体脂肪が減ることが、
ダイエットの成功にどう役立つかです。

「30分以上歩かないと脂肪が燃えない」
だと、歩く時間と体脂肪減少量の関係が「よく」分からなくなる、
実際のところは、「体脂肪が減ること」が分かっているだけで、
体脂肪が何ｇ減るかは「全く」分からない、
（運動後に減った体重は、ほとんどが水分によるもので、脂肪によるものはわずかです）

その結果、消費したエネルギー以上に食べ過ぎて、
体重が全く減らないことになっていました。

「歩いた分だけエネルギーを消費する」ことが分かると、
何分歩くと何kcal消費したか、それによって体脂肪が何g減るかも明らかになります。また反対に、目標の体重を維持するために、毎日歩き続ける時間も計算できます。
（現在あまり運動しない人が、今の体重から10%少ない体重になり、
　それを維持するためには、毎日１時間《すでに運動している人はさらに長時間》
　の歩行を、現在の運動に追加して
　《今１時間歩いている人は毎日２時間になります》
　生涯続けなければなりません）

それを（摂取エネルギーを一切増やさずに）実行できる人がいるかもしれませんが、
実行不可能という人は、食事のエネルギー減らせば目標体重を実現できます。
（幸い、運動で消費エネルギーを増やすよりも、摂取エネルギーを減らす方が
　寿命が延びる、という説もあります。ウェブ検索してみてください）

いずれにせよ、歩く時間と体脂肪減少量の関係が明らかになることにより、
「やみくもに有酸素運動して効果は運まかせ（食べる量まかせ）」
でなく、運動するにせよしないにせよ、選択のための判断材料が得られます。

もしあなたが生活習慣病で、生活習慣を変えて治したいと思っているなら、
そのために減らすべきエネルギーは分かっています。
運動を始めるのは、行おうと思っている運動で確実に治るかどうかを
調べてからでも遅くありません。

（このブログのほかの記事では、ブログの表題のこともあり、
　エネルギーのことを「カロリー」と書いてきましたが、
　この記事と前回の記事では内容に合わせて、
　学術的な「エネルギー」という用語を使いました）