“For me, a calorie is a unit of measurement that’s areal pain in the rear.”

Bo Nash is 38. He lives in Arlington, Texas, wherehe’s a technology director for a textbook publisher.He has a wife and child. And he’s 5’10” and 245

Rethinking the CalorieThe simple weight-loss formula—burn more energy than you consume—

may actually be holding us back in the fight to curb obesity.

C Y N T H I A G R A B E R A N D N I C O L A T W I L L E YJ A N 2 6 , 2 0 1 6 | H E A L T H

TEXT SIZE

 

Mario Anzuoni / Reuters

M O R E F R O M M O S A I C

Suicide Among the Ceasefire Babies

Reclaiming LSD for Psychotherapy

The Most Precious Blood on Earth

pounds—which means he is considered obese.

In an effort to lose weight, Nash uses an app torecord the calories he consumes and a Fitbit bandto track the energy he expends. These tools bringan apparent precision: Nash can quantify thecalories in each cracker crunched and stairclimbed. But when it comes to weight gain, he findsthat not all calories are equal. How much weight hegains or loses seems to depend less on the totalnumber of calories, and more on where the caloriescome from and how he consumes them. The unit,he says, has a “nebulous quality to it.”

Tara Haelle is also obese. She had her second sonon St. Patrick’s Day in 2014, and hasn’t been ableto lose the 70 pounds she gained during pregnancy.Haelle is a freelance science journalist, based inIllinois. She understands the science of weight loss,but, like Nash, doesn’t see it translate into practice.“It makes sense from a mathematical and scientificand even visceral level that what you put in andwhat you take out, measured in the discrete unit ofthe calorie, should balance,” says Haelle. “But itdoesn’t seem to work that way.”

Nash and Haelle are in good company: More thantwo-thirds of American adults are overweight orobese. For many of them, the cure is diet: One inthree are attempting to lose weight in this way atany given moment. Yet there is ample evidencethat diets rarely lead to sustained weight loss.These are expensive failures. This inability to curbthe extraordinary prevalence of obesity costs theUnited States more than $147 billion in healthcare, as well as $4.3 billion in job absenteeism andyet more in lost productivity.

At the heart of this issue is a single unit ofmeasurement—the calorie—and some seeminglystraightforward arithmetic. “To lose weight, youmust use up more calories than you take in,”according to the Centers for Disease Control andPrevention. Dieters like Nash and Haelle could eatall their meals at McDonald’s and still lose weight,provided they burn enough calories, says MarionNestle, a professor of nutrition, food studies, andpublic health at New York University. “Really,that’s all it takes.”

But Nash and Haelle do not find weight control sosimple. And part of the problem goes way beyondindividual self-control. The numbers logged inNash’s Fitbit, or printed on the food labels thatHaelle reads religiously, are at best good guesses.Worse yet, as scientists are increasingly finding,some of those calorie counts are flat-out wrong—offby more than enough, for instance, to wipe out thecalories Haelle burns by running an extra mile on atreadmill. A calorie isn’t just a calorie. And ourmistaken faith in the power of this seemingly

simple measurement may be hindering the fightagainst obesity.

* * *

The process of counting calories begins in ananonymous office block in Maryland. The buildingis home to the Beltsville Human Nutrition ResearchCenter, a facility run by the U.S. Department ofAgriculture. When we visit, the kitchen staff arepreparing dinner for people enrolled in a study.Plastic dinner trays are laid out with meatloaf,mashed potatoes, corn, brown bread, a chocolate-chip scone, vanilla yogurt and a can of tomato juice.The staff weigh and bag each item, sometimesadding an extra two-centimetre sliver of bread toensure a tray’s contents add up to the exact calorierequirements of each participant. “We actually getcompliments about the food,” says David Baer, asupervisory research physiologist with thedepartment.

The numbers printed on the food labels are at bestgood guesses.

The work that Baer and colleagues do draws oncenturies-old techniques. Nestle traces modernattempts to understand food and energy back to aFrench aristocrat and chemist named AntoineLavoisier. In the early 1780s, Lavoisier developeda triple-walled metal canister large enough to housea guinea pig. Inside the walls was a layer of ice.Lavoisier knew how much energy was required tomelt ice, so he could estimate the heat the animalemitted by measuring the amount of water thatdripped from the canister. What Lavoisier didn’trealize—and never had time to find out, as he wasput to the guillotine during the Revolution—wasthat measuring the heat emitted by his guinea pigswas a way to estimate the amount of energy theyhad extracted from the food they were digesting.

Until recently, the scientists at Beltsville used whatwas essentially a scaled-up version of Lavoisier’scanister to estimate the energy used by humans: asmall room in which a person could sleep, eat,excrete, and walk on a treadmill, while

temperature sensors embedded in the wallsmeasured the heat given off and thus the caloriesburned. (We now measure this energy in calories.Roughly speaking, one calorie is the heat requiredto raise the temperature of one kilogram of waterby one degree Celsius.) Today, those “direct-heat”calorimeters have largely been replaced by“indirect-heat” systems, in which sensors measureoxygen intake and carbon-dioxide exhalations.Scientists know how much energy is used duringthe metabolic processes that create the carbondioxide we breathe out, so they can workbackwards to deduce that, for example, a humanwho has exhaled 15 liters of carbon dioxide musthave used 94 calories of energy.

The facility’s three indirect calorimeters are downthe halls from the research kitchen. “They’re

The End Of The CalorieCompartir

Política de cookies

basically nothing more than walk-in coolers,modified to allow people to live in here,”physiologist William Rumpler explains as he showsus around. Inside each white room, a single bed isfolded up against the wall, alongside a toilet, sink, asmall desk and chair, and a short treadmill. Acouple of airlocks allow food, urine, feces, andblood samples to be passed back and forth. Apartfrom these reminders of the room’s purpose, thevinyl-floored, fluorescent-lit units resemble a1970s dorm room. Rumpler explains that subjectstypically spend 24 to 48 hours inside thecalorimeter, following a highly structuredschedule. A notice pinned to the door outlines theprotocol for the latest study:

6:00 to 6:45 p.m. Dinner, 11:00 p.m. Latest bedtime, mandatory lights out, 11:00 p.m. to 6:30 a.m. Sleep, remain in bed even ifnot sleeping.

In between meals, blood tests, and bowelmovements, calorimeter residents are asked to

walk on the treadmill at 3 miles per hour for 30minutes. They fill the rest of the day with whatRumpler calls “low activity.” “We encouragepeople to bring knitting or books to read,” he says.“If you give people free hand, you’ll be surprised bywhat they’ll do inside the chamber.” He tells usthat one of his less cooperative subjects smuggledin a bag of M&Ms, and then gave himself away bydropping them on the floor.

Burning food is chemically similar to the ways inwhich our bodies break food down.

Using a bank of screens just outside the rooms,Rumpler can monitor exactly how many calorieseach subject is burning at any moment. Over theyears, he and his colleagues have aggregated theseindividual results to arrive at numbers for generaluse: how many calories a 120-pound woman burnswhile running at 4 miles an hour, say, or thecalories a sedentary man in his 60s needs toconsume every day. It’s the averages derived fromthousands of extremely precise measurements that

provide the numbers in Bo Nash’s movementtracker and help Tara Haelle set a daily calorieintake target that is based on her height and weight.

Measuring the calories in food itself relies onanother modification of Lavoisier’s device. In1848, an Irish chemist called Thomas Andrewsrealized that he could estimate calorie content bysetting food on fire in a chamber and measuring thetemperature change in the surrounding water.(Burning food is chemically similar to the ways inwhich our bodies break food down, despite beingmuch faster and less controlled.) Versions ofAndrews’s ‘bomb calorimeter’ are used to measurethe calories in food today. At the Beltsville centre,samples of the meatloaf, mashed potatoes, andtomato juice have been incinerated in the lab’sbomb calorimeter. “We freeze-dry it, crush into apowder, and fire it,” says Baer.

Humans are not bomb calorimeters, of course, andwe don’t extract every calorie from the food we eat.This problem was addressed at the end of the 19th

century, in one of the more epic experiments in thehistory of nutrition science. Wilbur Atwater, aDepartment of Agriculture scientist, began bymeasuring the calories contained in more than4,000 foods. Then he fed those foods to volunteersand collected their faeces, which he incinerated ina bomb calorimeter. After subtracting the energymeasured in the faeces from that in the food, hearrived at the Atwater values, numbers thatrepresent the available energy in each gram ofprotein, carbohydrate and fat. These century-oldfigures remain the basis for today’s standards.When Baer wants to know the calories-per-gramfigure for that night’s meatloaf, he corrects thebomb calorimeter results using Atwater values.

* * *

This entire enterprise, from the Beltsville facility tothe numbers on the packets of the food we buy,creates an aura of scientific precision around thebusiness of counting calories. That precision isillusory.

The trouble begins at source, with the listscompiled by Atwater and others. Companies areallowed to incinerate freeze-dried pellets ofproduct in a bomb calorimeter to arrive at caloriecounts, though most avoid that hassle, says MarionNestle. Some use the data developed by Atwater inthe late 1800s. But the Food and DrugAdministration (FDA) also allows companies to usea modified set of values, published by theDepartment of Agriculture in 1955, that take intoaccount our ability to digest different foods indifferent ways.

Atwater’s numbers say that Tara Haelle can extract8.9 calories per gram of fat in a plate of her favoriteTex-Mex refried beans; the modified table showsthat, thanks to the indigestibility of some of theplant fibers in legumes, she only gets 8.3 caloriesper gram. Depending on the calorie-measuringmethod that a company chooses—the FDA allowstwo more variations on the theme, for a total of five—a given serving of spaghetti can contain 200 to210 calories. These uncertainties can add up.

Haelle and Bo Nash might deny themselves a snackor sweat out another few floors on the StairMasterto make sure they don’t go 100 calories over theirdaily limit. If the data in their calorie counts iswrong, they can go over regardless.

There’s also the issue of serving size. After visitingover 40 U.S. chain restaurants, including OliveGarden, Outback Steak House, and P.F. Chang’sChina Bistro, Susan Roberts of Tufts University’snutrition research center and colleagues discoveredthat a dish listed as having, say, 500 calories couldcontain 800 instead. The difference could easilyhave been caused, says Roberts, by local chefsheaping on extra french fries or pouring a dollopmore sauce. It would be almost impossible for acalorie-counting dieter to accurately estimate theirintake given this kind of variation.

Even if the calorie counts themselves wereaccurate, dieters like Haelle and Nash would haveto contend with the significant variations betweenthe total calories in the food and the amount our

bodies extract. These variations, which scientistshave only recently started to understand, gobeyond the inaccuracies in the numbers on theback of food packaging. In fact, the new researchcalls into question the validity of nutrition science’score belief that a calorie is a calorie.

Using the Beltsville facilities, for instance, Baer andhis colleagues found that our bodies sometimesextract fewer calories than the number listed on thelabel. Participants in their studies absorbed arounda third fewer calories from almonds than themodified Atwater values suggest. For walnuts, thedifference was 21 percent. This is good news forsomeone who is counting calories and likes tosnack on almonds or walnuts: He or she isabsorbing far fewer calories than expected. Thedifference, Baer suspects, is due to the nuts’particular structure: “All the nutrients—the fat andthe protein and things like that—they’re inside thisplant cell wall.” Unless those walls are brokendown—by processing, chewing, or cooking—someof the calories remain off-limits to the body, and

thus are excreted rather than absorbed.

A dish listed as having 500 calories could contain800 instead.

Another striking insight came from an attempt toeat like a chimp. In the early 1970s, RichardWrangham, an anthropologist at HarvardUniversity and the author of the book Catching Fire:How Cooking Made Us Human, observed wildchimps in Africa. Wrangham attempted to followthe entirely raw diet he saw the animals eating,snacking only on fruit, seeds, leaves, and insectssuch as termites and army ants. “I discovered thatit left me incredibly hungry,” he says. “And then Irealized that every human eats their food cooked.”

Wrangham and his colleagues have since shownthat cooking unlaces microscopic structures thatbind energy in foods, reducing the work our gutwould otherwise have to do. It effectivelyoutsources digestion to ovens and frying pans.Wrangham found that mice fed raw peanuts, for

instance, lost significantly more weight than micefed the equivalent amount of roasted peanut butter.The same effect holds true for meat: There aremany more usable calories in a burger than in steaktartare. Different cooking methods matter, too. In2015, Sri Lankan scientists discovered that theycould more than halve the available calories in riceby adding coconut oil during cooking and thencooling the rice in the refrigerator.

Wrangham’s findings have significantconsequences for dieters. If Nash likes hisporterhouse steak bloody, for example, he willlikely be consuming several hundred calories lessthan if he has it well-done. Yet the FDA’s methodsfor creating a nutrition label do not for the mostpart account for the differences between raw andcooked food, or pureed versus whole, let alone thestructure of plant versus animal cells. A steak is asteak, as far as the FDA is concerned.

Industrial food processing, which subjects foods toextremely high temperatures and pressures, might

be freeing up even more calories. The foodindustry, says Wrangham, has been “increasinglyturning our food to mush, to the maximum caloriesyou can get out of it. Which, of course, is all veryironic, because in the West there’s tremendouspressure to reduce the number of calories you’regetting out of your food.” He expects to findexamples of structural differences that affectcaloric availability in many more foods. “I thinkthere is work here for hundreds and probablythousands of nutritionists for years,” he says.

There’s also the problem that no two people areidentical. Differences in height, body fat, liver size,levels of the stress hormone cortisol, and otherfactors influence the energy required to maintainthe body’s basic functions. Between two people ofthe same sex, weight, and age, this number maydiffer by up to 600 calories a day—over a quarter ofthe recommended intake for a moderately activewoman. Even something as seemingly insignificantas the time at which we eat may affect how weprocess energy. In one recent study, researchers

found that mice fed a high-fat diet between 9 a.m.and 5 p.m. gained 28 percent less weight than micefed the exact same food across a 24-hour period.The researchers suggested that irregular feedingsaffect the circadian cycle of the liver and the way itmetabolizes food, thus influencing overall energybalance. Such differences would not emerge underthe feeding schedules in the Beltsville experiments.

Until recently, the idea that genetics plays asignificant role in obesity had some traction:Researchers hypothesized that evolutionarypressures may have favored genes that predisposedsome people to hold on to more calories in the formof added fat. Today, however, most scientistsbelieve we can’t blame DNA for making usoverweight. “The prevalence of obesity started torise quite sharply in the 1980s,” says Nestle.“Genetics did not change in that 10- or 20-yearperiod. So genetics can only account for part of it.”

Instead, researchers are beginning to attributemuch of the variation to the trillions of tiny

creatures that line the coiled tubes inside ourmidriffs. The microbes in our intestines digestsome of the tough or fibrous matter that ourstomachs cannot break down, releasing a flow ofadditional calories in the process. But differentspecies and strains of microbes vary in howeffective they are at releasing those extra calories,as well as how generously they share them withtheir host human.

“I think there is work here for hundreds andprobably thousands of nutritionists for years.”

In 2013, researchers in Jeffrey Gordon’s lab atWashington University tracked down pairs of twinsof whom one was obese and one lean. He took gutmicrobes from each, and inserted them into theintestines of microbe-free mice. Mice that gotmicrobes from an obese twin gained weight; theothers remained lean, despite eating the exactsame diet. “That was really striking,” said PeterTurnbaugh, who used to work with Gordon andnow heads his own lab at the University of

California, San Francisco. “It suggested for the firsttime that these microbes might actually becontributing to the energy that we gain from ourdiet.”

The diversity of microbes that each of us hosts is asindividual as a fingerprint and yet easilytransformed by diet and our environment. Andthough it is poorly understood, new findings abouthow our gut microbes affect our overall energybalance are emerging almost daily. For example, itseems that medications that are known to causeweight gain might be doing so by modifying thepopulations of microbes in our gut. In November2015, researchers showed that risperidone, anantipsychotic drug, altered the gut microbes ofmice who received it. The microbial changesslowed the animals’ resting metabolisms, causingthem to increase their body mass by 10 percent intwo months. The authors liken the effects to a 30-pound weight gain over one year for an averagehuman, which they say would be the equivalent ofan extra cheeseburger every day.

Other evidence suggests that gut microbes mightaffect weight gain in humans as they do in labanimals. Take the case of the woman who gainedmore than 40 pounds after receiving a transplant ofgut microbes from her overweight teenagedaughter. The transplant successfully treated themother’s intestinal infection of Clostridium difficile,which had resisted antibiotics. But, as of the study’spublication last year, she hadn’t been able to shedthe excess weight through diet or exercise. Theonly aspect of her physiology that had changed washer gut microbes.

All of these factors introduce a disturbingly largemargin of error for an individual who is trying, likeNash, Haelle, and millions of others, to countcalories. The discrepancies between the number onthe label and the calories that are actually availablein our food, combined with individual variations inhow we metabolize that food, can add up to muchmore than the 200 calories a day that nutritionistsoften advise cutting in order to lose weight. Nashand Haelle can do everything right and still not lose

weight.

None of this means that the calorie is a uselessconcept. Inaccurate as they are, calorie countsremain a helpful guide to relative energy values:Standing burns more calories than sitting; cookiescontain more calories than spinach. But the calorieis broken in many ways, and there’s a strong case tobe made for moving our food-accounting systemaway from that one particular number. It’s time totake a more holistic look at what we eat.

* * *

Wilbur Atwater worked in a world with differentproblems. At the beginning of the 20th century,nutritionists wanted to ensure people were well fed.The calorie was a useful way to quantify a person’sneeds. Today, excess weight affects more peoplethan hunger; 1.9 billion adults around the worldare considered overweight, 600 million of themobese. Obesity brings with it a higher risk ofdiabetes, heart disease, and cancer. This is a new

challenge, and it is likely to require a new metric.

One option is to focus on something other thanenergy intake. Like satiety, for instance. Picture a300-calorie slice of cheesecake: It is going to besmall. “So you’re going to feel very dissatisfied withthat meal,” says Susan Roberts. If you eat 300calories of a chicken salad instead, with nuts, oliveoil, and roasted vegetables, “you’ve got a lot ofdifferent nutrients that are hitting all the signalsquite nicely,” she says. “So you’re going to feel fullafter you’ve eaten it. That fullness is going to lastfor several hours.”

Roberts has created a weight-loss plan that focuseson satiety rather than a straight calorie count.

As a result of her research, Roberts has created aweight-loss plan that focuses on satiety rather thana straight calorie count. The idea is that foods thathelp people feel satisfied and full for longer shouldprevent them from overeating at lunch or searchingfor a snack soon after cleaning the table. Whole

apples, white fish, and Greek yogurt are on her listof the best foods for keeping hunger at bay.

There’s evidence to back up this idea: In one study,Roberts and colleagues found that people lost threetimes more weight by following her satiety plancompared with a traditional calorie-based one—and kept it off. Harvard nutritionist David Ludwig,who also proposes evaluating food on the basis ofsatiety instead of calories, has shown that teensgiven instant oats for breakfast consumed 650more calories at lunch than their peers who weregiven the same number of breakfast calories in theform of a more satisfying omelette and fruit.Meanwhile, Adam Drewnowski, a epidemiologistat the University of Washington, has his owncalorie upgrade: a nutrient density score. Thissystem ranks food in terms of nutrition per calorie,rather than simply overall caloric value. Dark greenvegetables and legumes score highly. Though thedetails of their approaches differ, all three agree:Changing how we measure our food can transformour relationship with it for the better.

Individual consumers could start using these ideasnow. But persuading the food industry and itswatchdogs, such as the FDA, to adopt an entirelynew labeling system based on one of thesealternative measures is much more of a challenge.Consumers are unlikely to see the calorie replacedby Roberts’s or Drewnowski’s units on their labelsany time soon; nonetheless, this work is animportant reminder that there are other ways tomeasure food, ones that might be more useful forboth weight loss and overall health.

Down the line, another approach might eventuallyprove even more useful: personalized nutrition.Since 2005, David Wishart of the University ofAlberta has been cataloguing the hundreds ofthousands of chemical compounds in our bodies,which make up what’s known as the humanmetabolome. There are now 42,000 chemicals onhis list, and many of them help digest the food weeat. His food metabolome database is a morerecent effort: It contains about 30,000 chemicalsderived directly from food. Wishart estimates that

both databases may end up listing more than amillion compounds. “Humans eat an incrediblevariety of foods,” he says. “Then those are alltransformed by our body. And they’re turned intoall kinds of other compounds.” We have no ideawhat they all are, he adds—or what they do.

According to Wishart, these chemicals and theirinteractions affect energy balance. He points toresearch demonstrating that high-fructose cornsyrup and other forms of added fructose (asopposed to fructose found in fruit) can trigger thecreation of compounds that lead us to form anexcess of fat cells, unrelated to additional calorieconsumption. “If we cut back on some of thesethings,” he says, “it seems to revert our body backto more appropriate, arguably less efficientmetabolism, so that we aren’t accumulating fatcells in our body.”

It increasingly seems that there are significantvariations in the way each one of us metabolizesfood, based on the tens of thousands—perhaps

millions—of chemicals that make up each of ourmetabolomes. This, in combination with theindividuality of each person’s gut microbiome,could lead to the development of personalizeddietary recommendations. Wishart imagines afuture where you could hold up your smartphone,snap a picture of a dish, and receive a verdict onhow that food will affect you as well as how manycalories you’ll extract from it. Your partner mightreceive completely different information from thesame dish.

Another approach might eventually prove evenmore useful: personalized nutrition.

Or maybe the focus will shift to tweaking yourmicrobial community: If you’re trying to loseweight, perhaps you will curate your gutmicrobiome so as to extract fewer calories withoutharming your overall health. Peter Turnbaughcautions that the science is not yet able torecommend a particular set of microbes, let alonehow best to get them inside your gut, but he takes

comfort from the fact that our microbialpopulations are “very plastic and very malleable”—we already know that they change when we takeantibiotics, when we travel and when we eatdifferent foods. “If we’re able to figure this out,” hesays, “there is the chance that someday you mightbe able to tailor your microbiome” to get theoutcomes you want.

None of these alternatives is ready to replace thecalorie tomorrow. Yet the need for a new system offood accounting is clear. Just ask Haelle. “I’m kindof pissed at the scientific community for notcoming up with something better for us,” sheconfesses, recalling a recent meltdown at TGIFriday’s as she navigated a confusing datasheet tofind a low-calorie dish she could eat. There shouldbe a better metric for people like her and Nash—people who know the health risks that come withbeing overweight and work hard to counter them.And it’s likely there will be. Science has alreadyshown that the calorie is broken. Now it has to finda replacement.

This article appears courtesy of Mosaic.

Related Video

A group of chefs in New York are teaching publicschools how to make healthier versions of classiclunches—using only the ingredients available incafeterias.

0:00 / 5:19

How to Cook a Real Chicken Nugget (and Why)

A B O U T T H E A U T H O R S

CYNTHIA GRABER is a writer and audio journalist based in Somerville, Massachusetts, and aco-host of the podcast Gastropod. Her work has appeared in Scientific American and TheNew Yorker. 

NICOLA TWILLEY is a writer based in New York. She is a co-host of the podcast Gastropodand a contributor to The New Yorker. She also runs the blog Edible Geography.