5D Library › 断食、酮体与注意力的代谢基础 · English
第一章 燃料切换：卡希尔曲线
储存脂肪、花费葡萄糖的身体
20 世纪 60 年代，乔治·卡希尔与哈佛的同事研究了在严密医疗监护下数日、有时数周不进食的志愿者。他们测量血液中进出的物质，据此画出了第一幅完整的图景：没有食物进来时，人体如何喂养自己。
这幅图景从一种不平衡开始。身体几乎把全部多余能量储存为脂肪，但大脑、红细胞和少数其他组织依赖葡萄糖，而葡萄糖恰恰是储存最少的燃料。
推导
卡希尔对一名典型 70 公斤男性体内燃料储备的估计 (Cahill 1970)，以及假如由每种储备单独承担每天 1800 千卡的静息需要，各能维持多久。
reserves = { # fuel stored in a 70 kg man, after Cahill (1970): kg and kcal
"triglyceride (fat)": (15.0, 141_000),
"protein (muscle)": (6.0, 24_000),
"glycogen (muscle)": (0.150, 600),
"glycogen (liver)": (0.075, 300),
"glucose in fluids": (0.020, 80),
}
need = 1800 # kcal per day at rest, a round figure
total = sum(kcal for _, kcal in reserves.values())
print(f"{'store':22s} {'kg':>6s} {'kcal':>8s} {'share':>6s} days if used alone")
for name, (kg, kcal) in reserves.items():
print(f"{name:22s} {kg:6.3f} {kcal:8,d} {kcal / total:6.1%} {kcal / need:7.2f}")
print(f"{'total':22s} {'':6s} {total:8,d}")
# store kg kcal share days if used alone
# triglyceride (fat) 15.000 141,000 84.9% 78.33
# protein (muscle) 6.000 24,000 14.5% 13.33
# glycogen (muscle) 0.150 600 0.4% 0.33
# glycogen (liver) 0.075 300 0.2% 0.17
# glucose in fluids 0.020 80 0.0% 0.04
# total 165,980
肝糖原是两餐之间维持血糖稳定的储备，约 300 千卡，只够身体几小时到一天之用。肌肉中的糖原是它的两倍，但肌肉缺少把游离葡萄糖释放入血的酶，只能留给自己用。脂肪足够用几个星期。所以，断食的难题不在能量总量，而在葡萄糖。
第一天：糖原
进餐后，血糖和胰岛素都高，肝脏储存糖原。几小时后，食物吸收完毕，胰岛素下降，肝脏开始分解糖原、释放葡萄糖。与此同时，它开始用乳酸、甘油和氨基酸合成新的葡萄糖，这个过程叫糖异生。
证据
道格拉斯·罗斯曼（Douglas Rothman）等人用碳-13 磁共振波谱直接测量了断食志愿者的肝糖原。第一天里肝糖原持续下降。糖异生在最初 22 小时提供了身体所产葡萄糖的约 64%，22 至 46 小时约 82%，46 至 64 小时约 96% (Rothman et al. 1991)。
因此，「先烧糖原、再烧脂肪」这一常见说法过于简单。即使在最初几小时，肝脏也在制造新的葡萄糖；到第二、第三天，几乎全部葡萄糖都是新造的。第一天里改变的是两者的比例。
第二、三天：脂肪与肝脏制造的酮体
随着胰岛素下降，脂肪细胞向血液释放脂肪酸。大多数组织，包括心脏和静息的肌肉，都很容易燃烧脂肪酸。大脑却不然：脂肪酸在血液中与白蛋白结合运输，进入大脑很慢，大脑也只少量氧化脂肪酸。一个只靠脂肪运转的身体，仍然得为大脑制造葡萄糖，而新葡萄糖唯一的大宗原料是蛋白质。
肝脏的解决办法，是把脂肪酸变成大脑能用的东西。在肝脏线粒体中，脂肪酸被切成两个碳的乙酰辅酶 A 单元；当它们到达的速度超过肝脏自己燃烧的速度时，就被连接成乙酰乙酸，再还原为 β-羟丁酸（BHB）。这些酮体分子小、溶于水，由运输乳酸的同一类转运体送入大脑。
注
常见的说法是「脂肪酸和酮体穿过血脑屏障为大脑供能」。后半句对，前半句不对。断食时大脑的燃料切换，是从葡萄糖换成肝脏用脂肪造出的酮体；大脑自己燃烧的脂肪很少。
数周：靠酮体运转的大脑与对蛋白质的保护
证据
1967 年，奥利弗·欧文（Oliver Owen）、卡希尔等人测量了在医疗监护下断食五到六周的肥胖患者大脑的摄取与释放。β-羟丁酸与乙酰乙酸已取代葡萄糖成为大脑的主要燃料，约占其耗氧的 60% (Owen et al. 1967)。卡希尔后来总结了整个过程：在长期断食中，血酮从不到 0.1 mM 升到数个毫摩尔，大脑的葡萄糖用量从每天约 120 克降到约 40 克 (Cahill 2006)。
这次切换的意义在于节省蛋白质。断食中大脑用掉的每一克葡萄糖都得现造，而主要原料是肌肉和器官的蛋白质。
推导
1 克混合蛋白质大约可以造出 0.56 克葡萄糖。断食初期，身体每天分解约 75 克蛋白质来供应葡萄糖；一旦大脑主要依靠酮体，每天约 20 克 (Cahill 1970)。两种情况下蛋白质储备能维持的时间，相差的是几周与许多个月。
g_glucose_per_g_protein = 0.56 # roughly what gluconeogenesis makes from 1 g of mixed protein
protein_kg = 6.0 # mobilisable protein (Cahill 1970)
for label, per_day in (("early: brain on glucose", 75), ("adapted: brain on ketones", 20)):
glucose = per_day * g_glucose_per_g_protein
days = protein_kg * 1000 / per_day
print(f"{label:26s} protein {per_day:3d} g/day -> glucose {glucose:3.0f} g/day; "
f"lasts {days:3.0f} days")
# early: brain on glucose protein 75 g/day -> glucose 42 g/day; lasts 80 days
# adapted: brain on ketones protein 20 g/day -> glucose 11 g/day; lasts 300 days第二行说明了为什么正常体重的人能熬过两个月的断食，肥胖的人更久。它也是酮体对本书其余部分重要的原因：酮体不只是燃烧脂肪的副产品，而是身体在不吃掉肌肉的前提下喂养大脑的办法。
一段话说清卡希尔曲线
把这些测量合在一起，就得到后面每一章都会用到的一条曲线。餐后最初几小时，大脑靠食物中的葡萄糖，随后靠肝糖原。第一天里，糖原下降，新造的葡萄糖接手。第二、三天，血中脂肪酸升高，肝脏制造酮体，血 BHB 从约 0.1 mM 升到 1–2 mM。此后几周，酮体继续上升，大脑从中获取更多燃料，蛋白质分解减少。第六章的各种时间表，实际上是在不同位置截断这条曲线：16:8 停在第二阶段的开头，48 小时断食到达第三阶段。
注
这些数字来自健康成年人（常常是男性），以及在医院监护下断食的肥胖患者。女性、老人、儿童和病人与此不同，有时差别很大：例如儿童和孕妇比其他成人更早出现高酮体水平，这一现象称为「加速饥饿」，因为相对于需要，他们的糖原耗尽得更快。第八章的练习只为健康成年人而写。
本章没有说的
本章没有说曲线越往深处走越有益健康。长期断食有真实的风险，包括危险的盐分与水分变化、低血压、痛风发作，以及长期断食后恢复进食时可能出现的再喂养综合征：磷、钾、镁的骤然转移会影响心脏 (Mehanna et al. 2008)。这条曲线描述的是身体不得不如此时会怎样做，而不是应该要求它这样做。
参考文献
Fan, Y. (2026). Fasting, Ketones and the Metabolic Basis of Attention: Autophagy, β-Hydroxybutyrate and the Bioenergetics of Intermittent Fasting [断食、酮体与注意力的代谢基础] (Version 1.0.0). 5D Library. https://doi.org/10.5281/zenodo.23684203 · Licensed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0).