白蟻，這些看似不起眼的小昆蟲，其實是自然界了不起的工程師和分解者。它們能消化堅硬的木頭，這離不開它們腸道里一個龐大而復雜的微生物世界。這篇科普文章將帶您了解科學家們如何利用高科技工具，特別是Unisense微電極，深入探索一種以木材為食的高等白蟻（Nasutitermes屬）的腸道環境，揭示了其腸道如同一個高度分工的“生物工廠”的秘密。

一、研究簡介：白蟻腸道里的微生物王國

高等白蟻（比如筑丘的象白蟻）的腸道與我們熟悉的螞蟻或蜜蜂不同，它們沒有幫助消化木頭的微小單細胞原生動物伙伴。它們完全依靠細菌來完成這項艱巨的任務！更特別的是，它們的腸道被分隔成幾個連續的“小房間”（隔室），每個隔室都有著不同的環境條件和居住著獨特的細菌群落。科學家們一直想了解：這些不同的“房間”里，氧氣、酸堿度、甚至氫氣的濃度具體是怎樣的？什么樣的細菌住在里面？它們各自承擔什么工作？這項研究使用了一種強大的工具——Unisense微電極，像給白蟻腸道做“精密體檢”一樣，詳細測量了這些環境參數，并結合DNA測序技術，繪制了每個“房間”的“住戶名單”（細菌群落結構），揭示了這些“微型生物工廠”如何高效協作，分解堅硬的木頭。

二、顯微探針：潛入白蟻腸道的精密探測器（Unisense微電極實驗方法）

為了精確測量白蟻腸道內部那極其微小的環境變化，科學家們使用了丹麥Unisense公司制造的尖端設備——微電極。這些電極的尖端非常細，直徑只有大約10微米（比頭發絲細得多），能夠深入白蟻腸道的不同部位進行測量。

實驗操作流程如下：

準備樣品：小心地將白蟻解剖，取出完整的腸道。

固定腸道：把取出的腸道平鋪在含有瓊脂糖（一種類似于果凍的物質）的微型腔室中，并用更薄的瓊脂糖覆蓋固定。這樣能讓腸道保持自然形狀，同時允許微電極順利插入。

安裝電極：將不同類型的Unisense微電極（包括測量氧氣的OX-10電極、測量氫氣的H2-10電極、測量pH值的PH-10電極和測量氧化還原電位的RD-10電極）安裝在精密的顯微操縱器上。

精確定位：在立體顯微鏡的觀察下，手動操控顯微操縱器，將微電極的尖端精確地定位到腸道內想要測量的具體位置（例如腸道中心或特定隔室）。

實時測量：將電極尖端小心地插入腸道，開始記錄實時的氧氣分壓、氫氣分壓、pH值和氧化還原電位。測量通常在腸道固定后約10分鐘內開始，整個過程不到1小時，以保證腸道組織的活性。

圖1：Nasutitermes corniger的腸道。腸道包括嗉囊(C)、中腸(M)、混合段(ms)和幾個后腸節段(P1至P5)；星號(*)標記P2（幽門瓣）的位置。

圖2：在瓊脂糖包埋的Nasutitermes corniger前部P3隔室中，相對于瓊脂糖表面的氧氣(O)和氫氣(O)分壓的徑向分布圖。虛線標出了近端和遠端腸壁的位置。這些曲線是從不同白蟻身上獲得的六組相似結果中選出的典型代表。

三、腸道探秘：微電極揭示的環境地圖

利用Unisense微電極，科學家們繪制出了白蟻腸道內部環境的精細地圖，發現了驚人的差異：

氧氣與缺氧區：沿著腸道一路測量，發現氧氣濃度變化劇烈。只有那個膨大的后腸囊（P3隔室，尤其是前部）是完全缺氧的區域，像個密封的發酵罐。腸道壁附近就像一個“氧氣吸收層”，能阻止氧氣進入P3深處。如果覆蓋的瓊脂糖太薄（<2mm），這個“罐子”也會漏進氧氣。其他腸道部分（如P1、P4）則含有氧氣。

氫氣工廠：氫氣這種易燃氣體，只在缺氧的P3隔室（尤其是前部）大量積累，中心濃度最高（在實驗室測量中最高可達12千帕，相當于大氣壓的12%！在活體測量中較低，約0.1-2.4千帕）。這說明P3是腸道內主要的產氫中心。

酸堿性過山車：腸道的酸堿度(pH)變化如同過山車：

嗉囊(C)：略偏酸。

中腸(M)：接近中性。

混合段/P1隔室：急劇變堿！P1隔室是最堿的地方，pH高達9.3-10.9，比家用漂白劑還堿！

P3隔室：酸堿度下降到中性。

后腸后部(P4,P5)：保持中性或略偏酸。

化學活性指標（氧化還原電位）：與氧氣狀況對應。缺氧的P3隔室化學環境適合還原反應（電位為負值），而含氧的隔室則適合氧化反應（電位為正值）。

總結：高度分工的腸道生物工廠

這項利用Unisense微電極和其他技術的研究，為我們清晰地描繪了高等白蟻腸道這個神奇的“微型生物工廠”：

嚴格分工：腸道被物理分隔成不同的“車間”（隔室），每個車間都有獨特的環境（氧氣、pH、氧化還原電位）。

核心發酵罐：膨大的后腸囊(P3)是核心“發酵車間”。這里是唯一完全缺氧的區域，積累了高濃度的氫氣，細菌數量最多，最密集，是木材分解和發酵的主要場所。這里的“主力工人”是螺旋體菌（Spirochaetes）、纖維桿菌（Fibrobacteres）和TG3候選門的細菌，它們很可能負責分解木頭纖維并產生氫氣。

其他特色車間：

強堿消毒間(P1)：pH值極高（~10），形成一個獨特的強堿性環境，居住著適應這種環境的特殊細菌（如Turicibacter和一些乳酸菌）。

后部加工間(P4/P5)：細菌數量比P3少很多，但群落結構獨特，多樣性高。這里的細菌可能負責處理來自P3的物質，或適應腸道后段的環境。其群落結構與嗉囊有相似之處，表明白蟻可能存在吃回自己糞便（食糞性或肛飼）的行為，以回收營養物質。

前段準備間(嗉囊/中腸)：嗉囊細菌群落多樣；中腸則被少數幾種厚壁菌門（主要是毛螺菌科Lachnospiraceae）主導，可能參與消化或自身被宿主消化吸收。

Unisense微電極技術在這次研究中發揮了關鍵作用，如同在微觀世界中航行的精密探測器，讓科學家能夠直接“看到”并量化白蟻腸道內這些微米尺度上的環境變化（O?,H?,pH,氧化還原電位）。這些精確的環境數據，結合微生物群落分析，使我們能夠推斷不同細菌在各自“車間”中的可能功能，極大地深化了我們對白蟻如何依賴其腸道微生物伙伴高效分解木質纖維素這一自然奇跡的理解。這些發現不僅有趣，也可能為未來開發生物能源（如利用產氫細菌）或新型酶制劑提供寶貴的靈感。