زیستشناسیِ رشدِ میکروبی
THE BIOLOGY OF Microbial Growth
سویههای وحشیِ مخمر Saccharomyces cerevisiae میتوانند یا بهصورت غیرجنسی یا جنسی، با ساخت اسپورهایی که توانِ جفتگیری دارند، تولیدمثل کنند. اما در سویههای S. cerevisiae که بهعنوان مخمر نانوایی و آبجوسازی فروخته میشوند، میلِ جنسی تا حد زیادی با اصلاح نژادی از میان رفته است؛ امری که یکدستبودنِ نتایج از دستهای به دستهٔ بعد را بسیار آسانتر میکند. با استثناهای نادر، این سویهها فقط بهصورت غیرجنسی و از راهِ جوانهزنی تکثیر میشوند. سلولِ مادر در یک سوی خود چیزی شبیه «برجستگیِ نوزادی» پدید میآورد که بهتدریج باد میکند. همزمان، سلول یک کپیِ کامل از مادهٔ ژنتیکیِ درونِ هستهٔ خود میسازد و سپس هسته به دو نیم میشود تا نسخهٔ اصلی و نسخهٔ رونوشت از هم جدا شوند؛ نسخهٔ رونوشت به درونِ جوانهٔ تازهساختهشده مهاجرت میکند. وقتی همهچیز سرِ جای خود قرار گرفت، جوانهٔ نوزاد تقریباً هماندازهٔ سلولِ مادر شده و این دو از هم میگسلند و زخمی بر جا میماند؛ همان جایی که جوانه—که حالا «سلولِ دختر» نامیده میشود—از والد جدا شده است. چرخه دوباره آغاز میشود .
با هر دورِ تقسیم، یک سلولِ مخمر به دو تا بدل میشود و جمعیت دو برابر میگردد. دو میشود چهار، سپس 8، 16، 32، 64 و همینطور ادامه مییابد. تا نسلِ دهم، یک میکروب به 1,024 = 2^10 رسیده است. از دیدِ ریاضی، این فرایند «رشدِ هندسی» یا «رشدِ نمایی» نام دارد و میتواند یک جمعیتِ میکروبی را با شگفتی فراوان بهسرعت منفجر کند: فقط ۲۰ نسل برای افزایشِ یکمیلیونبرابری کافی است.
نسلِ تازهای از مخمرِ نانوایی میتواند در زمانی اندک، حدود یکونیم ساعت، پدیدار شود؛ البته وقتی دما بهینه باشد، اکسیژنِ حلشده در آبِ پیرامون حاضر باشد و موادِ مغذی—از جمله نیتروژن، فسفر، قندها و ویتامینها و موادِ معدنی ضروری—فراوان باشند. بااینحال در بیشترِ دستورهای نان، مخمر فقط فرصت دارد یک یا دو بار تکثیر شود و خمیر خیلی زود از اکسیژنِ حلشده تهی میگردد (اکسیژن نمیتواند از هوا در خمیرِ غلیظ خیلی دور نفوذ کند). بنابراین تعدادِ سلولهای مخمر حینِ استراحت و ورآمدنِ خمیر بهطورِ چشمگیری تغییر نمیکند. اما در استارترهای خمیرترش که سالها نگهداری میشوند، برخی مخمرها میتوانند به حدِ جوانهزنی خود برسند—در کشتِ آزمایشگاهی تا ۵۰ بار، اما در آشپزخانه احتمالاً چیزی نزدیک به ۲۰–۳۰ تکثیر—و سپس بمیرند.
همهٔ باکتریها نیز با تقسیمِ سلولی تکثیر میشوند. باکتریها مانند مخمرها جوانه نمیزنند؛ آنها پس از نسخهبرداری از دستگاهِ ژنتیکیِ خود، به دو نیم میگردند و دو سلولِ دخترِ تقریباً یکسان میسازند. مانند مخمرها، نرخِ تولیدمثل در باکتریها به دسترسپذیریِ موادِ مغذی و دما، همچنین اسیدیته یا بازی بودن (pH) و شرایطِ موضعیِ دیگر بستگی دارد. چون باکتریها از مخمرها سادهتراند، میتوانند سریعتر تکثیر شوند—در دقیقهها نه ساعتها.
Clostridium perfringens در حال حاضر رکوردِ سریعترین تکثیرِ شناختهشده برای یک باکتریِ منتقلشونده از غذا را دارد: یک مطالعه نشان داد که در گوشتِ چرخکرده، C. perfringens در کمتر از ۸ دقیقه تقسیمِ سلولی را کامل کرد. این یعنی، از نظرِ نظری، افزایشِ یکمیلیونبرابری میتواند در کمتر از ۳ ساعت رخ دهد. باکتریهای بیماریزای دیگر شاید در غذا کندتر تکثیر شوند، اما این شتاب همچنان از دیدِ انسان سرسامآور است: افزایشِ میلیونبرابری در کمتر از یک روز.
برای مقابله با این ابرقدرتِ تولیدمثل، بسیاری از راهنماهای ایمنیِ غذا طوری طراحی شدهاند که تکثیرِ باکتریایی را کند کنند. آثارِ ریزِ آلودگیِ غذایی احتمالاً اجتنابناپذیر است؛ اما انبارش، آمادهسازی و سروِ درست معمولاً میتواند جمعیتهای کوچکِ پاتوژنها را از بادکردن به اندازههای خطرناک باز دارد .
سردخانه/یخچال پدافندِ اصلی در برابر باکتریهاست، چون میکروبها زیرِ یک آستانهٔ دمایی—که از گونهای به گونهٔ دیگر و از غذایی به غذای دیگر فرق میکند—دیگر تولیدمثل نمیکنند. حدِّ بالایی هم هست؛ گرمتر از آن، باکتریها از تقسیم بازمیمانند. میانِ این دو، «منطقهٔ خطر» است؛ دماهایی که برای کلونیسازی مناسباند.
سختجانترین باکتریهای غذایی میتوانند در دماهایی کمی بالاتر از نقطهٔ انجماد نیز—گرچه کند—تولیدمثل کنند. اما برای بیشترِ گونهها، کفِ «منطقهٔ خطر» جایی میانِ حدودِ ۳ تا ۱۲ سانتیگراد است. (یک استثنای چشمگیر Listeria monocytogenes است که حتی در منفی ۱ سانتیگراد نیز آهسته تقسیم میشود.) به همین دلیل باید دمای یخچال را روی ۵ سانتیگراد یا سردتر نگه دارید. این همچنین دلیلِ اصلیِ این است که غذا در فریزر از یخچال دیرتر خراب میشود.
باکتریهای بیماریزا معمولاً سریعترین تکثیر را در بازهٔ ۲۸ تا ۴۳ سانتیگراد دارند. تصادفی نیست که این بازه ۳۷ سانتیگراد، یعنی دمای میانگینِ درونِ بدنِ انسان، را در بر میگیرد. اوجِ رشدِ E. coli O157:H7، برای نمونه، حدود ۴۰ سانتیگراد است . هر گامِ آمادهسازی یا روشِ پختی که غذا را در این بازهٔ دمایی نگه دارد، خطرِ ایمنیِ غذایی را بسیار بالا میبرد. پس مراقب باشید،
مرزهای تولیدمثلِ میکروبی
The Limits of Microbial Reproduction
هم میکروبهای دلخواه—چون مخمرها و باکتریهایِ اسیدِ لاکتیک—و هم باکتریهایِ بیماریزایِ غذایی، زیرِ دمایِ حداقل و بالایِ دمایِ حداکثر از تولیدمثل بازمیایستند. میکروارگانیسمها در بازهٔ دمایِ بهینه سریعترین تکثیر را دارند. اسیدیته یا بازیبودنِ (pH) غذا نیز مرزهایی بر تکثیرِ قارچها و باکتریها تحمیل میکند.
| گونه | حدّ پایینِ دما (°C) | حدّ بالای دما (°C) | سریعترین رشد (°C) | حدّ پایین pH | حدّ بالای pH |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 3 | 45 | 30–32 | 2.1 | 8.5 |
| Candida milleri | 10 | 36 | 27 | 3.5– | 7.0 |
| Lactobacillus sanfranciscensis | 7 | 41 | 32 | 3.9 | 6.7 |
| Clostridium perfringens | 10 | 52 | 43–47 | 5.0 | 8.0 |
| Bacillus cereus | 4 | 55 | 28–40 | 4.3 | 9.3 |
| Campylobacter jejuni | 10 | 45 | 37–43 | 4.9 | 9.5 |
| Clostridium botulinum (A,B) | 10 | 48 | 30–40 | 4.6 | 9.0 |
| Clostridium botulinum (E) | 3 | 45 | 25–27 | 5.0 | 9.0 |
| Escherichia coli (پاتوژن) | 6 | 50 | 35–43 | 5.0 | 9.0 |
| Listeria monocytogenes | 1 | 45 | 30–37 | 4.4 | 9.4 |
| Salmonella spp. | 5 | 47 | 35–40 | 3.7 | 9.5 |
| Shigella spp. | 7 | 48 | 35–37 | 4.0 | 9.3 |
| Staphylococcus aureus | 7 | 50 | 37–45 | 4.8 | 10.0 |
| Vibrio cholerae | 10 | 43 | 28–30 | 5.0 | 10.0 |
| Yersinia enterocolitica | −2 | 45 | 28–30 | 4.2 | 10.0 |
دما و pH چگونه بر تولیدمثلِ میکروبها، مخمرها و LAB اثر میگذارند
How Temperature and pH Affect the Reproduction of Germs, Yeasts, and Lactic Acid Bacteria
نرخِ تولیدمثلِ تقریباً همهٔ میکروبهایِ موردِ توجهِ نانواها و آشپزها—چه باکتری و چه مخمر—با دما، اسیدی/بازی بودن و شور/شیرین بودنِ غذا بهطرزِ چشمگیری تغییر میکند، همانطور که نمودارهای زیر نشان میدهند. همچنین توانِ ورآوریِ مخمرِ Saccharomyces cerevisiae—متداولترینِ مخمرهایِ نانوایی—از سویهای به سویهٔ دیگر بهطورِ قابل ملاحظهای فرق میکند. این تفاوت پیامدهای مهمی برای استارترهای خمیرترش دارد .
- دما نرخِ تولیدمثلِ تقریباً همهٔ میکروبها را تنظیم میکند؛ به همین دلیل یخچالها بهخوبی غذا را نگه میدارند. E. coli—که در رودهٔ انسان زندگی میکند—در دمایِ بدن (۳۷ سانتیگراد) تند رشد میکند و حدود ۴۰ سانتیگراد به اوج میرسد. Lactobacillus sanfranciscensis، باکتریِ رایج در خمیرترش، خنکتر را میپسندد و بیشینهٔ رشدِ آن حدود ۳۲ سانتیگراد است؛ در مقابل، مخمرِ Candida milleri که معمولاً در خمیرترش حضور دارد، حدود ۲۷ سانتیگراد سریعترین رشد را دارد. در خمیرهایی که با S. cerevisiae ور میآیند، زمانِ ورآمدن معمولاً آنقدر کوتاه است که چرخهٔ تکثیرِ تقریباً ۲ ساعته فقط یک بار فرصتِ اجرا دارد؛ بنابراین تولیدِ گاز برای ورآوری در نانهایِ مخمری مهمتر از افزایشِ جمعیت است.
- بیشترِ باکتریهایِ بیماریزا—از جمله E. coli—نسبت به pH حساساند و در محیطهای اسیدی به سختی تولیدمثل میکنند. در مقابل، باکتریهایِ اسیدِ لاکتیک (LAB) که در خمیرترش رونق دارند، میتوانند در pHهای پایینتر نیز رشد را حفظ کنند، و C. milleri حتی در خمیرهای بسیار اسیدی نیز بازدارده نشده به نظر میرسد.
- مقیاسِ pH شاخصِ اسیدیته/بازیبودنِ مواد است؛ از ۰ تا ۱۴ میرود؛ هرچه عدد کمتر، اسیدیتر و هرچه بیشتر، بازیتر. آبِ خالص خنثی است و pH آن بسیار نزدیک به ۷.۰ است. .
- بیشترِ دستورهای نان نمک میخواهند چون طعم را بهبود میدهد. اما نمک رشدِ LAB و مخمرهایِ خمیرترش را مهار میکند و همچنین تولیدِ گازِ مخمرِ نانوایی را کاهش میدهد. به همین دلیل خمیرهایِ شور برای ورآمدن وقتِ بیشتری میخواهند.
- افزودنِ ساکروز (قندِ سفره) اثرِ بازدارندگیِ مشابهی با نمک دارد. نموداری که مقدارِ گازِ آزادشده توسط چهار سویهٔ متفاوت از S. cerevisiae را نشان میدهد، برای نانواها روشن میسازد که چرا معمولاً تفاوتهای بزرگی میانِ سویههایِ S. cerevisiae که نان را ور میآورند دیده نمیشود؛ اما همچنین نشان میدهد که سویههایِ تخصصیافته برای آبجو، شراب و پژوهشِ آزمایشگاهی در حضورِ شکرِ افزوده بهتر از یک سویهٔ معمولیِ نانوایی عمل میکنند.
زیستشناسیِ شگفتآورِ مشترکِ نانِ «نمکبالاآمده» و قانقاریا (گانگرنِ گازی)
THE BIZARRE SHARED BIOLOGY OF Salt-Rising Bread and Gas Gangrene
بیش از یک قرن پیش، پیشگامانِ مرزهای آمریکایِ شمالی—که دسترسی به مخمر برایشان دشوار بود—دیدند که تحتِ شرایطی خاص، استارترِ بدونِ مخمر از شیر و آرد اگر گرم نگه داشته شود—تقریباً در دمایِ بدن یا کمی بالاتر—گاه خودبهخود تخمیر میکند و کف بر میدارد. خمیری که با چنین استارتری آمیخته میشد، بالا میآمد و به نانِ سفیدِ متراکم و خوشپخت بدل میگشت.
چون کسی نمیدانست سازوکار چیست، پیشگامانِ آپالاچیا این را نانِ «نمکبالاآمده» نامیدند (نامی پرسشبرانگیز، چون نمک مادهٔ لازم نیست؛ یک نظریه این است که زنانِ مرزنشین استارترها را در بشکههایِ نمک—که زیرِ آفتاب گرمتر میشدند—نگه میداشتند). شرکتها فروشِ ترکیبِ استارتر را آغاز کردند و توصیه میکردند که آن را به شیرِ جوشان بیفزایند و سپس بگذارند تا به دمایِ تخمیر سرد شود. در ۱۸۹۸، ادارهٔ شیمی در وزارتِ کشاورزیِ ایالاتِ متحده بولتنی منتشر کرد و ورآمدن را به «آنزیمهایِ طبیعیِ موجود در آرد» نسبت داد. اما این توضیح هرگز قانعکننده نبود، چون توضیح نمیداد چرا خمیر گاهی پرقدرت بالا میآید و گاه اصلاً بالا نمیآید، و نیز چرا نان گرایشی به بویِ عجیب—شبیهِ پنیرِ تند یا پایِ نشُسته—دارد.
تا ۱۹۱۱، زیستشناسی به نام هنری کومن علتِ واقعی را روشن کرده بود: به نقل از یکی از همکارانش، آن خمیرها «هیچ سلولِ مخمری نداشتند اما بهمعنای واقعی از باکتریها میجوشیدند.» کومن با سلسلهای از آزمایشهای دقیق، گازی را که سببِ ورآمدنِ نان میشد جداسازی کرد و دریافت که بخشِ عمدهٔ آن دیاکسیدکربن—که مخمرها و LAB میسازند—نیست، بلکه هیدروژن است. او فرض کرد اسپورهای یک باکتریِ بیهوازی بهنحوی به مخلوط راه مییابند و سپس در استارترِ گرم جوانه میزنند، تکثیر میشوند و با هضمِ قندها به هیدروژن تبدیلشان میکنند. چند سال بعد، یک زیستشناسِ USDA به نام استوارت کوزر این فرضیه را تأیید کرد—در آزمایشی که شاید «مکابرتترین آزمایشِ تاریخِ آشپزی» نام گرفته است. او در زیرِ میکروسکوپ دید که استارترِ کفکرده تا ۱۰۰ میلیون میکروب در هر گرم دارد؛ تقریباً همهٔ آنها Clostridium perfringens بودند (که آن زمان Bacillus welchii خوانده میشد)—گونهای که مسببِ بیماریهایِ کشندهٔ pigbel و قانقاریا/گانگرنِ گازی است . این پژوهشگرِ دلآور یک کشت از C. perfringens—ایزولهشده از زخمِ چرکیِ یک سرباز—گرفت و با آن نانِ نمکبالاآمده پخت.
در سالهای بعد، زیستشناسان با روشهایِ پیشرفتهتر کوشیدند بفهمند چرا نانِ نمکبالاآمده ظاهراً خوردنش ایمن است—دستِکم مرجعهای پزشکی تاکنون کسی را گزارش نکردهاند که با آن بیمار شده باشد. پژوهشگران به چند دلیلِ محتمل اشاره میکنند: در محیط، سویههای زیادی از C. perfringens وجود دارد و فقط اندکی از آنها توکسینِ بیماریزا میسازند (که در افرادِ سالم معمولاً به دلپیچه و اسهال میانجامد). دماهای بالاتر از ۸۰ سانتیگراد توکسین را غیرفعال میکند—و خودِ باکتری در دماهای کمتر از آن هم رو به مرگ میرود—بنابراین گرمایِ پخت تا حدِ زیادی پاتوژن را خنثی میکند. هرچند شاید اندکی میکروب از پخت جانِ سالم به در ببرد، دوزِ عفونتزا برای C. perfringens نسبتاً بالاست—حدودِ ۱۰۰,۰۰۰ باکتری در هر گرمِ غذا برای ایجادِ عفونت لازم است.
طعمِ نانِ نمکبالاآمده توصیفش دشوار است. اگر میخواهید خودتان تجربهاش کنید. فقط مراقب باشید با استارتر و خمیرِ ناپخته چنان رفتار کنید که شایستهٔ آن است. اگر به «کرمیِ نانِ نمکبالاآمده» مبتلا شدید، بگذارید از نوعِ خوبش باشد!
همان کلستریدیومهایی که برای ساختِ نانِ نمکبالاآمده بهکار میروند میتوانند در انسان و دام بیماری ایجاد کنند. خوشبختانه واکسنِ دامپزشکی در دسترس است.
