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(fù)雜的微生物世界。這篇科普文章將帶您了解科學(xué)家們?nèi)绾卫酶呖萍脊ぞ?，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(huán)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(xì)胞原生動物伙伴。它們完全依靠細(xì)菌來完成這項艱巨的任務(wù)！更特別的是，它們的腸道被分隔成幾個連續(xù)的“小房間”（隔室），每個隔室都有著不同的環(huán)境條件和居住著獨特的細(xì)菌群落?？茖W(xué)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(xì)菌住在里面？它們各自承擔(dān)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(xì)測量了這些環(huán)境參數(shù)，并結(jié)合DNA測序技術(shù)，繪制了每個“房間”的“住戶名單”（細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)），揭示了這些“微型生物工廠”如何高效協(xié)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(nèi)部那極其微小的環(huán)境變化，科學(xué)家們使用了丹麥Unisense公司制造的尖端設(shè)備——微電極。這些電極的尖端非常細(xì)，直徑只有大約10微米（比頭發(fā)絲細(xì)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(zhǔn)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(zhì)）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(nèi)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(nèi)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(jié)段(P1至P5)；星號(*)標(biāo)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(biāo)出了近端和遠(yuǎn)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(jié)果中選出的典型代表。

三、腸道探秘：微電極揭示的環(huán)境地圖

利用Unisense微電極，科學(xué)家們繪制出了白蟻腸道內(nèi)部環(huán)境的精細(xì)地圖，發(fā)現(xiàn)了驚人的差異：

氧氣與缺氧區(qū)：沿著腸道一路測量，發(fā)現(xiàn)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(qū)域，像個密封的發(fā)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?。?amp;lt;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?xì)怏w，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(dāng)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(nèi)主要的產(chǎn)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(xué)活性指標(biāo)（氧化還原電位）：與氧氣狀況對應(yīng)。缺氧的P3隔室化學(xué)環(huán)境適合還原反應(yīng)（電位為負(fù)值），而含氧的隔室則適合氧化反應(yīng)（電位為正值）。

總結(jié)：高度分工的腸道生物工廠

這項利用Unisense微電極和其他技術(shù)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(yán)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(huán)境（氧氣、pH、氧化還原電位）。

核心發(fā)酵罐：膨大的后腸囊(P3)是核心“發(fā)酵車間”。這里是唯一完全缺氧的區(qū)域，積累了高濃度的氫氣，細(xì)菌數(shù)量最多，最密集，是木材分解和發(fā)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(xì)菌，它們很可能負(fù)責(zé)分解木頭纖維并產(chǎn)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(huán)境，居住著適應(yīng)這種環(huán)境的特殊細(xì)菌（如Turicibacter和一些乳酸菌）。

后部加工間(P4/P5)：細(xì)菌數(shù)量比P3少很多，但群落結(jié)構(gòu)獨特，多樣性高。這里的細(xì)菌可能負(fù)責(zé)處理來自P3的物質(zhì)，或適應(yīng)腸道后段的環(huán)境。其群落結(jié)構(gòu)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(yǎng)物質(zhì)。

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

Unisense微電極技術(shù)在這次研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，如同在微觀世界中航行的精密探測器，讓科學(xué)家能夠直接“看到”并量化白蟻腸道內(nèi)這些微米尺度上的環(huán)境變化（O?,H?,pH,氧化還原電位）。這些精確的環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合微生物群落分析，使我們能夠推斷不同細(xì)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(zhì)纖維素這一自然奇跡的理解。這些發(fā)現(xiàn)不僅有趣，也可能為未來開發(fā)生物能源（如利用產(chǎn)氫細(xì)菌）或新型酶制劑提供寶貴的靈感。