Уровень двигательной активности в детстве может определять, сколько энергии организм расходует на перемещение в зрелом возрасте. К такому выводу пришла группа исследователей из Университета штата Пенсильвания. В качестве модели учёные использовали птиц и впервые получили прямые доказательства того, что опыт, приобретённый в период развития, способен менять энергетические затраты животных при движении во взрослом состоянии.
По словам Джонаса Ру́бенсона, профессора кинезиологии Университета штата Пенсильвания, эффективность передвижения может играть важную роль в эволюции животных. Особи, которые тратят меньше энергии на перемещение, располагают дополнительными ресурсами для таких жизненно важных задач, как поиск пищи, охота и размножение. Результаты работы опубликованы в журнале Proceedings of the Royal Society B, Biological Sciences и указывают на то, что энергетические потребности при движении более пластичны, чем считалось ранее.
В ходе эксперимента исследователи прикрепили небольшие грузы к одной лапе молодых цесарок — птиц, близких к курам, которые, как и люди, передвигаются на двух ногах. Учёные хотели проверить, изменит ли ношение дополнительного веса в период развития эффективность передвижения птиц после достижения ими зрелости. Результаты показали заметную разницу: птицы, выросшие с грузами, могли ходить с дополнительной нагрузкой без роста энергозатрат, тогда как особям, выращенным без грузов, при той же нагрузке требовалось на 23% больше энергии.
«Это исследование показало, как нагрузка на конечности — механическое воздействие на руки или ноги, обычно с помощью грузов или упражнений — в период развития помогает животному экономить энергию при движении на протяжении всей жизни, — заявил Рубенсон, старший автор работы. — Это одно из первых исследований, указывающих на то, что поведение и условия среды в молодости могут влиять на то, насколько усилий требует движение во взрослом возрасте».
Хотя эксперимент проводился на птицах, его результаты поднимают важные вопросы о физической активности человека. Одна из широко признанных научных гипотез предполагает, что люди склонны избегать движений, если они ощущаются физически тяжёлыми или требуют значительных энергозатрат. Если ранняя активность влияет на эффективность передвижения у человека так же, как у этих птиц, то люди, которые были менее активны в детстве, могут тратить больше энергии на те же движения во взрослом возрасте. Дополнительные усилия способны снизить их желание заниматься спортом, что потенциально закрепляет малоподвижный образ жизни.
Рубенсон полагает, что открытие может иметь широкие последствия для общественного здравоохранения, особенно с учётом того, что современные дети в целом менее физически активны, чем представители предыдущих поколений. «В целом дети в США сегодня гораздо менее активны, чем предыдущие поколения, — отметил он. — Это исследование говорит о том, что больше упражнений во время игр и занятий спортом в детстве может облегчить людям поддержание или повышение активности во взрослом возрасте. Если людям не нужно затрачивать столько энергии на движение, то физическая нагрузка — и все её полезные для здоровья эффекты — станет для них доступнее. Это может повлиять на многие аспекты благополучия нашей страны, от здоровья сердца до психического здоровья».
В эксперименте наблюдали за 12 цесарками с двухнедельного возраста до достижения ими 16 недель, когда птицы приближались к полному взрослому размеру. Половина птиц носила на одной лапе свинцовые кольца, каждое из которых весило 4% от массы тела птицы. Остальные шесть особей развивались без дополнительного веса. Помимо этого различия, все 12 птиц находились в одинаковых условиях содержания и выполняли одинаковые физические нагрузки. С девяти недель исследователи начали приучать птиц ходить по беговой дорожке. В 16 недель команда оценила энергозатраты с помощью проточной метаболической камеры, установленной на дорожке. Это оборудование измеряло потребление кислорода каждой птицей, а также выделение углекислого газа и водяного пара. По словам исследователей, такой подход считается золотым стандартом для определения того, сколько энергии животное расходует во время той или иной активности. Каждую птицу тестировали в трёх условиях: в состоянии покоя, при ходьбе по дорожке без дополнительного веса и при ходьбе с грузовым кольцом на одной лапе. Сравнивая потребление кислорода и выработку углекислого газа в этих условиях, учёные могли определить, как дополнительная нагрузка влияет на расход энергии.
Исследователи не обнаружили различий в энергопотреблении, когда птицы стояли неподвижно. Однако их реакция заметно менялась, как только они начинали ходить с грузами. Птицы, не носившие weights (грузы) в период роста, при ходьбе с дополнительной нагрузкой расходовали на 23% больше энергии по сравнению с ходьбой без неё. Птицы, носившие грузы на протяжении всего развития, демонстрировали совершенно иную реакцию. Их тела адаптировались настолько эффективно, что ходьба с дополнительной нагрузкой требовала чуть меньше энергии, чем ходьба без неё. Этот неожиданный результат удивил исследовательскую команду. «Птицы стали настолько эффективными, что не тратили больше энергии на переноску груза, чем им требовалось для ходьбы без него», — сказал Рубенсон. Ещё одна неожиданная находка обнаружилась при сравнении двух групп. В среднем птицы, привыкшие носить грузы в период развития, при ходьбе со своими кольцами тратили не больше энергии, чем обычные птицы при ходьбе без какой-либо дополнительной нагрузки. В совокупности эти наблюдения говорят о том, что опыт ранних этапов жизни может существенно влиять на эффективность передвижения животных во взрослом возрасте. «Это показывает, что животные — и, вероятно, это касается и людей — могут становиться более эффективными благодаря своему жизненному опыту. Так что когда люди регулярно тренируются на протяжении детства и подросткового возраста, это может закладывать основу для занятий спортом на всю жизнь», — добавил исследователь.
Полученные данные дают новые свидетельства того, что физическая активность в период развития может оказывать длительное влияние на энергозатраты при движении. Предстоит ещё установить, происходят ли аналогичные адаптации у человека, однако исследование указывает на возможный механизм, с помощью которого физические нагрузки в детстве способны поддерживать активность и в более позднем возрасте. В работе также участвовал Стивен Пьяцца, профессор кинезиологии Университета штата Пенсильвания, вместе с несколькими нынешними и бывшими аспирантами, работавшими под руководством Пьяццы и Рубенсона. Двумя соавторами исследования стали Талайя Джонсон и Кавья Катугам-Дешене. Джонсон получила степень магистра в Университете штата Пенсильвания и сейчас готовит докторскую диссертацию в Пенсильванском университете. Катугам-Дешене защитила докторскую в Университете штата Пенсильвания и в настоящее время занимает должность ассистента-исследователя в области биомедицинской и реабилитационной инженерии в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилле. Среди других участников — Иан Дешене, работавший в проекте научным сотрудником и ныне являющийся инженером-программистом, и Роберто Кастро, докторант Университета штата Пенсильвания, которого консультируют Пьяцца и Рубенсон. Финансирование обеспечил Национальный институт артрита, заболеваний опорно-двигательного аппарата и кожи, входящий в Национальные институты здравоохранения США, через гранты R21AR071588 и R01AR080711. Ответственность за содержание исследования несут исключительно сами исследователи, и оно не обязательно отражает официальную позицию Национальных институтов здравоохранения.