kPNI-artikel: beweging en energie in evolutionair perspectief

Beweging speelt evolutionair gezien een onmisbare rol in de energievoorziening. Binnen de klinische psycho-neuro-immunologie hebben energie en energieverdeling een centrale plaats bij de verklaring en aanpak van ziekten en aandoeningen. In dit PNI-artikel gaan we daar dieper op in.

Evolutionaire aspecten van beweging

Lichaamsbeweging is al onderdeel van het menselijk leven sinds het begin van de evolutie. Vroege hominiden zoals Australopithecus waren relatief korteafstandslopers, terwijl de latere Homo Erectus vooral een langeafstandsloper was. De mensen van deze soort jaagden op groot wild, zoals olifanten, elanden en oerossen. Drijfjagende mannen en vrouwen waren in staat om urenlang te lopen en rennen totdat het opgejaagde dier zo uitgeput was dat het bijna spontaan neerviel. De jagers moesten daarvoor een aantal metabole uitdagingen overwinnen. Belangrijke eigenschappen waren bijvoorbeeld een goede thermoregulatie, teleo-anticipatie, effectieve desintoxicatie van metabole afvalproducten, efficiënte toewijzing van energiebronnen, onderhoud van bloed, weefsel en mineraalgehalte in het lichaam en een manier van besluitvorming die paste bij hun levensstijl. 

Deze uitdagingen vroegen veel van de toenmalige mens, maar zorgden tegelijkertijd voor overlevingssucces en bepaalden daarmee de evolutie. De huidige mens heeft er zijn tweevoetige manier van voortbewegen, onbehaarde huid, zweetklieren (4 miljoen!) en dopaminerge neuroanatomie aan te danken. Ook werd de darm korter, de spiermassa minder, de grote teen korter en de opslag van vet in vetweefsel groter. Al deze aanpassingen maakten het mogelijk dat interne organen en het bewegingsapparaat minder energie gebruikten, waardoor de hersenen van Homo Erectus konden toenemen tot uiteindelijk het hersenformaat van de hedendaagse Homo Sapiens.

Lichamelijke activiteit als een functie van de leefomgeving

Mensen beschikken over meer dan 600 spieren. Ook wanneer ze niet actief zijn, zijn ze verantwoordelijk voor ongeveer 25% van de energie die een mens in rust verbruikt. Het metabolisme van de spieren reageert onmiddellijk op gebruik; alleen wanneer ze regelmatig worden gestimuleerd kunnen ze hun taken goed blijven uitvoeren. Wanneer spieren niet worden gebruikt, ook al is dat maar voor een korte periode, leidt dit tot functieverlies en in extreme gevallen zelfs tot spieratrofie. 

Het menselijk lichaam evolueerde niet in de veilige, weinig stimulerende omgeving van gymnastiekzalen of voetbalvelden. Net als bij andere zoogdieren heeft het lichaam zich ontwikkeld in de strijd om te overleven. In elk stadium van de evolutie hebben mensen moeten bewegen om aan voedsel te komen door te jagen, te verzamelen en naar water te zoeken. In het geval dat voedsel of water niet zo gemakkelijk beschikbaar was in de omgeving, hebben populaties enorme afstanden moeten afleggen om in deze behoeften te kunnen voorzien. In hedendaagse visser/jager-verzamelaar populaties zijn deze condities nog steeds hetzelfde . Observaties onder deze moderne vissers/jagers-verzamelaars maken het mogelijk om de gemiddelde dagelijkse hoeveelheid lichaamsbeweging in te schatten die mensen vroeger hadden. Op basis van dergelijk onderzoek is vastgesteld dat de gemiddelde jager-verzamelaar ongeveer 30-40 kilometer of 5 tot 6 uur per dag in beweging was . Dit deed hij echter niet als dat niet absoluut noodzakelijk was, maar uitsluitend wanneer er een gebrek bestond aan energiebronnen. Dit gegeven leidt tot de legitieme veronderstelling dat de gemiddelde hoeveelheid beweging verdeeld moet worden in dagen met juist heel veel en dagen met vrijwel geen lichaamsbeweging. Maar áls mensen in beweging kwamen, waren ze in staat dit een hele lange tijd vol te houden.

Tegenwoordig bestaan er nog steeds visser/jager-verzamelaar populaties die door erg ruig terrein trekken en meer dan 80-100 km per dag reizen . De gemiddelde hoeveelheid lichamelijke activiteit van de hedendaagse Westerse mens ligt een stuk lager. De laatste paar duizend jaar is de hoeveelheid lichaamsbeweging drastisch afgenomen. Bij het zoeken naar een passende leefomgeving voor de mens moet worden teruggegaan naar de “conditions of existence” van de menselijke voorouders ,  ,  . Zij leefden lange tijd in een periode waarin de mens voortdurend op zijn hoede moest zijn voor allerlei bedreigingen. Roofdieren, honger en ziekte waren een alledaagse realiteit waarmee de mens 24 uur per dag geconfronteerd werd. Dit stressvolle milieu heeft echter nooit geleid tot de epidemie van westerse ziektes zoals depressie, obesitas en andere zogenaamde welvaartsziektes. Een belangrijke reden hiervoor is juist gelegen in de lichamelijke activiteit die in de strijd om te overleven onontbeerlijk was. Deze lichamelijke activiteit wordt teruggezien bij moderne visser/jager-verzamelaar populaties. Hun lichamelijke conditie is dan ook een heel stuk beter dan die van de hedendaagse westerse mens. De hoeveelheid lichaamsbeweging van moderne vissers/jagers -verzamelaars ligt op ongeveer hetzelfde niveau als in de oude steentijd. Vergeleken met vissers/jagers-verzamelaar populaties maakt de dagelijkse hoeveelheid lichaamsbeweging in westerse landen ongeveer een derde uit van het energieverbruik .

Lichamelijke activiteit en stress

Stress bestond in de oude steentijd voornamelijk uit factoren (koude, hitte, gevaar, honger, dorst, etc.) die om een lichamelijk reactie (vechten of vluchten) vroegen. Ook in de stressrespons speelde beweging dus een grote rol. In tegenstelling tot in de oude steentijd, bestaat stress tegenwoordig voornamelijk uit emotionele, professionele en sociale stressfactoren. Deze kunnen echter dezelfde stressrespons uitlokken als de aloude stressfactoren. Zelfs ingebeeld gevaar kan tot een lichamelijke vecht-vluchtrespons leiden . De moderne belasting van stresssystemen gaat echter niet langer gepaard met de daaropvolgende lichamelijke activiteit die nodig is om te vechten of te vluchten. De energie die wordt vrijgemaakt door de stressreacties om lichamelijk actie te ondernemen zal, indien deze actie uitblijft, weer in het lichaam worden opgeslagen in de vorm van visceraal vet ,  . Mensen die regelmatig bewegen tonen lagere cortisol- en catecholamineniveaus in reactie op stressvolle gebeurtenissen op de lange termijn . Stresstolerantie correleert met de expressie van neuronale genen. Genexpressie vereist epigenetische processen zoals methylering (inactivatie) / demethylering (activatie) van DNA en acetylering (activatie) / deacetylering (inactivatie) van histonen. Onderzoek met knaagdieren heeft aangetoond dat lichaamsbeweging significante veranderingen teweegbrengt in deze epigenetische processen: fysieke activiteit beïnvloedt de epigenetische reacties op stresstolerantie . 

Stressresponsen die optreden bij een gewijzigde energievraag vinden plaats om de vechtende of vluchtende individu van capaciteiten te voorzien die nodig zijn voor overleving ,  . In de menselijke evolutie is dit altijd een voordeel geweest. De stresssystemen in mensen zijn hierop afgestemd en reageren nog steeds op die manier omdat aanpassing duizenden generaties kan duren . Stressvolle gebeurtenissen in de moderne wereld gaan vaak vergezeld van, of worden gekenmerkt door, een verminderde of ontbrekende energievraag, terwijl wel gluconeogenese plaatsvindt. Dit leidt tot verminderd/ontbrekend energieverbruik, gevolgd door opslag van de vrijgemaakte glucose in vooral visceraal vet. 

Pull en push binnen het concept van egoïstische organen zoals de hersenen en het immuunsysteem

Het “pull”-systeem, gebaseerd op het “trekken” van energie, zet orgaansystemen zoals de hersenen, vetweefsel en spieren aan tot spontane beweging bij het zoeken naar energie: foerageergedrag. Zo kan de mens zoeken naar energie (voedsel en water), deze bronnen consumeren en zo uiteindelijk de hoeveelheid energie in de bloedsomloop vergroten. De vergaarde energie wordt vervolgens aan verschillende weefsels in een hiërarchische volgorde afgeleverd. Het brein, dat bijna 65% van al het circulerende glucose verbruikt, is het eerste orgaan dat moet worden bevoorraad. Bij een gemiddelde glucose-inname van 200 gram/dag, verbruiken de hersenen 130 gram/dag, afhankelijk van de neurologische activiteit (‘s avonds minder, ‘s ochtends veel meer). Intellectueel gebruik van neuronen verhoogt de energie‘pull’ van de hersenen aanmerkelijk; dit proces wordt “energy demand” (opeisen van energie) genoemd.

Hart, spieren, nieren en de lever worden beschouwd als erg dure organen. Bij chronische schaarste (hongersnood) kunnen deze organen tot wel 40% van hun volume verliezen, terwijl de hersenen nauwelijks in gewicht afnemen of zelfs relatief toenemen – een duidelijk voorbeeld van de bovengenoemde hiërarchische energieverdeling. Spieren en vet reguleren ‘pull’-systemen door het produceren van respectievelijk insuline en leptine. Insulineproductie informeert de hersenen over de perifere energiesituatie op de korte termijn, terwijl leptine, geproduceerd door adipocyten en astrocyten in de hersenen, beschouwd kan worden als informatievoorziening over de energiesituatie op langere termijn. Bij de mens hebben deze systemen voor energieallocatie zich gedurende de afgelopen 65.000 generaties ontwikkeld. Gezondheid bestaat bij gratie van goed functionerende ‘pull’-mechanismen, zodat energie naar behoefte de hersenen in wordt getrokken en het lichaam niet over hoeft te schakelen op ‘push’-mechanismen, waarmee energie als het ware in de hersenen geduwd wordt. Dè oplossing voor het herstellen van deficiënte ‘pull’- mechanismen is, niet verrassend, bewegen zoals de verre menselijke voorouders dat deden: nuchter en op vet als voornaamste brandstof. In dat geval wordt bij afwezigheid van externe brandstof, het lichaam gedwongen om op zoek te gaan naar een alternatief in de vorm van opgeslagen vetten. 

De invloed van afwisselende overdaad en voedseltekort

Het overleven van Homo sapiens tijdens de evolutie was afhankelijk van het vinden van voedsel, dat op zijn beurt afhankelijk was van fysieke activiteit. Voedselvoorziening was echter nooit consistent. De oude vissers/jagers-verzamelaars kenden cycli van overdaad en tekort, ruim voorzien van periodes van fysieke activiteit en rust. Om te overleven tijdens periodes van voedseltekort, zijn bepaalde genen geëvolueerd om de efficiënte opname en gebruik van brandstof te regelen (“thrifty genes”) genoemd. Verder overtuigend bewijs toont aan dat dit deel van het genoom in essentie ongewijzigd is gebleven de afgelopen 10.000 jaar en zeker niet veranderd is in de afgelopen 40 tot 100 jaar. Hoewel de absolute calorie-inname van moderne mensen waarschijnlijk lager is in vergelijking met hun vissers/jagers-verzamelaars voorouders, is de relatieve calorische balans (inname minus verbruik) positief. Dit is voornamelijk het gevolg van de toegenomen sedentaire levensstijl in de huidige maatschappij. De combinatie van een continue voedselvoorraad en fysieke inactiviteit zorgt ervoor dat de evolutionair geprogrammeerde biochemische cycli afkomstig van de afwisseling tussen overvloed en voedseltekort en tussen fysieke activiteit en rust, niet meer nodig zijn. Dit heeft weer invloed op de cycli van bepaalde metabole processen, uiteindelijk resulterend in metabole verstoringen zoals obesitas en diabetes type 2.

Beweging kan een cruciale rol spelen in het doorbreken van vastgelopen stofwisselingsprocessen middels de regulatie van "fysieke activiteitsgenen". Gezien de onbeperkte voedselvoorziening, is het onwaarschijnlijk dat moderne mensen in ontwikkelde landen worden blootgesteld aan hongersnoden. Ze zullen waarschijnlijk ook niet in staat zijn om drastische calorie-reducties te tolereren. Dus de meest logische manier om de cyclus van metabole processen weer in overeenstemming te brengen met hun evolutionaire bedoeling, is door het bieden van voldoende fysieke activiteit. Fysieke activiteit kan bijdragen aan de opname en metabolisatie van glucose en vet door skeletspieren met als gevolg het herstel van fysiologische genexpressies van de "zuinige" genen. Daardoor wordt gewaarborgd dat stofwisselingsprocessen niet blijven hangen en resulteren in pathologische accumulatie van brandstofvoorraden . 

Conclusie

Evolutionair gezien is een gebrek aan energie een van de drijfveren geweest voor beweging. Energiegebrek, voelbaar als honger, wordt gedreven vanuit de hersenen (“pull”) en induceert spontane activiteit: foerageergedrag. Beweging (nuchter!) ging dus vooruit aan de opname van energie middels eten. Tegelijkertijd reguleerde nuchter beweging de energiesignalering en -verdeling middels insuline en leptine. De drijfveer tot nuchter bewegen op basis van energietekort is heden ten dage afwezig omdat we geen moeite meer hoeven te doen om eten te vinden. Zodra honger wordt gevoeld, wordt deze gestild met wat beschikbaar is in de koelkast en voorraadkast. Dit kan leiden tot een verstoring van energiesignalering en -verdeling via insuline en leptine. Nuchter bewegen kan helpen deze systemen te herstellen en zodoende de energieverdeling te verbeteren.

Bronnen

Cordain, L. et al: Physical activity, energy expenditure and fitness: an evolutionary perspective Int J Sports Med 1998, 19, 328-33 

Cordain L., The paleo diet for athletes USA 2005 

Cordain L., The paleo diet for athletes USA 2005 

Muskiet  F., Our meals should be based on primitive man’s eating patterns http://www.rug.nl/corporate/nieuws/opinie/2008/010_08?lang=en March 04, 2008 

Cordain L., The paradoxical nature of hunter-gatherer diets: meat-based, yet non- atherogenic European Journal of Clinical Nutrition (2002) 56, Suppl 1, S42–S52 

Eaton S., An evolutionary perspective on human physical activity: implications for health Comparative Biochemistry and Physiology Part A 136, 2003, 153-159 

Eaton S., An evolutionary perspective on human physical activity: implications for health Comparative Biochemistry and Physiology Part A 136, 2003, 153-159 

Tsatsoulis A., The Protective Role of Exercise on Stress System Dysregulation and Comorbidities Ann. N.Y. Acad. Sci. 1083: 196–213 (2006) 

Tsatsoulis A., The Protective Role of Exercise on Stress System Dysregulation and Comorbidities Ann. N.Y. Acad. Sci. 1083: 196–213 (2006) 

Peters  A. et al, Causes of obesity: Looking beyond the hypothalamus Progress in Neurobiology 81 (2007) 61–88 

Traustadottir T.,The HPA axis response to stress in women: effects of aging and fitness Psychoneuroendocrinology (2005) 30, 392–402 

Collin A. et al, Exercise Improves Cognitive Responses to Psychological Stress through Enhancement of Epigenetic Mechanisms and Gene Expression in the Dentate Gyrus PLOS 2009 ,4 ,1, 1-11 

Tsatsoulis A., The Protective Role of Exercise on Stress System Dysregulation and Comorbidities Ann. N.Y. Acad. Sci. 1083: 196–213 (2006) 

Peters A. et al, Causes of obesity: Looking beyond the hypothalamus Progress in Neurobiology 81 (2007) 61–88 

Muskiet F., Our meals should be based on primitive man’s eating patterns http://www.rug.nl/corporate/nieuws/opinie/2008/010_08?lang=en March 04, 2008 

Chakravarthy M., Eating, exercise, and “thrifty” genotypes: connecting the dots toward an evolutionary understanding of modern chronic diseases, J Appl Physiol 96: 3–10, 2004