113 年 國立臺灣大學病理學研究所《普通生物學(A)》

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第 1 題

  1. Which statement is NOT true in a vascular plant with a heterosporous life cycle?
    (A) Both male and female gametophytes develop within the sporophyte generation.
    (B) Microspores develop into male gametophytes, while megaspores develop into female gametophytes.
    (C) Fertilization results in a diploid zygote that develops into the next sporophyte generation.
    (D) The gametophyte generation is independent and free-living.

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此題考查維管束植物異型孢子的生命週期。異型孢子是種子植物(包括裸子植物和被子植物)的特徵,其孢子發育會產生兩種不同大小的配子體,分別為小孢子發育的雄配子體和大孢子發育的雌配子體。

(A) 在異型孢子的生命週期中,配子體(不論雄性或雌性)確實發育於孢子體世代內。雄配子體(花粉粒)發育於小孢子囊,雌配子體(胚囊)發育於大孢子囊,兩者都包含在母體孢子體內。此敘述正確。

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第 2 題

  1. Which of the following characteristics is NOT shared by both non-vascular and vascular plants?
    (A) Presence of cell walls composed of cellulose
    (B) Sexual reproduction involving gametes
    (C) Dependence on water for sperm transfer
    (D) Embryonic development protected by a multicellular structure

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核心觀念

本題考查非維管束植物與維管束植物的共同特徵,以及植物演化後生殖方式的改變。兩類植物都屬於有胚植物,具有纖維素細胞壁,並可進行有性生殖;但精子是否必須依靠水移動,會因植物類群而異。

解題方法

先找出兩類植物共有的基本特徵,再檢查各選項是否涵蓋整個「維管束植物」類群。維管束植物包括蕨類等無種子植物,也包括裸子植物與被子植物。蕨類受精需要水,但種子植物藉由花粉傳送雄性配子,不必依賴外界水膜讓精子游動。因此,「依賴水進行精子傳送」並非所有維管束植物共有的特徵。

選項分析

  • (A) 由纖維素構成的細胞壁:正確,為兩者共有。
    非維管束植物與維管束植物的植物細胞都有以纖維素為主要成分的細胞壁。
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第 3 題

  1. Transpiration is the process by which plants lose water primarily through which structures?
    (A) Roots
    (B) Stems
    (C) Leaves
    (D) Flowers

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此題考查植物蒸散作用(Transpiration)的主要部位。蒸散作用是植物體內水分透過氣孔(stomata)散失到大氣中的過程。

(A) 根部主要負責吸收水分和礦物質,雖然根部表面也可能有些許水分散失,但並非蒸散作用的主要途徑。

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第 4 題

  1. An example of convergent evolution is:
    (A) Humans and chimpanzees having five fingers
    (B) Owls and hawks having sharp beaks for hunting
    (C) Dolphins and sharks having streamlined bodies
    (D) Lions and tigers having different prey preferences

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核心觀念

趨同演化是指親緣關係較遠的生物,因面對相似的環境壓力或生活需求,分別演化出相似的適應特徵。這些特徵功能相似,但並非由共同祖先直接遺傳而來,稱為同功構造。

相對地,同源構造源自共同祖先,即使後來功能不同,也可能保留相似的基本構造。

解題方法

逐項判斷相似特徵是來自共同祖先,還是不同類群因相似需求而獨立形成。能清楚對照親緣差異與相似適應功能的選項,就是趨同演化的典型例子。

選項分析

  • (A) 人類和黑猩猩都有五指:錯。 人類與黑猩猩親緣關係近,五指是從共同祖先承襲的同源特徵,屬於共同祖先遺傳,並非趨同演化。
  • **(B) 貓頭鷹和鷹有適合捕獵的銳利喙:不是最佳答案。
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第 5 題

  1. What is the only type of chemical signal that does not alter the physiology of the animal producing that signal?
    (A) neural
    (B) paracrine
    (C) neuroendocrine
    (D) pheromones

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此題考查動物體內不同種類化學信號的傳遞方式及其對發信動物的影響。

化學信號大致可分為幾類:

  • 內分泌素 (Endocrine signals):由內分泌腺體分泌,經血液循環運輸到全身,作用於遠距離的標靶細胞。
  • 旁分泌素 (Paracrine signals):分泌後作用於鄰近細胞,不進入血液循環。
  • 神經傳導素 (Neurotransmitters):由神經元分泌,作用於突觸間隙的下一個神經元或標靶細胞。
  • 神經內分泌素 (Neuroendocrine signals):由神經分泌細胞分泌,經血液循環運輸。
  • 費洛蒙 (Pheromones):由個體分泌到體外環境,作用於同種其他個體。

題目問的是「does not alter the physiology of the animal producing that signal」。

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第 6 題

  1. Innate immunity
    (A) is activated immediately upon infection
    (B) depends on an infected animal's previous exposure to the same pathogen
    (C) is based on recognition of antigens that are specific to different pathogens
    (D) is found only in vertebrate animals

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此題考查先天免疫(Innate immunity)的特性。先天免疫是生物體與生俱來的防禦機制,不需要經過事先的暴露和學習。

(A) 先天免疫在偵測到病原體時會立即啟動,是生物體的第一道防線。此敘述正確。

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第 7 題

  1. Select the pathway that would lead to the activation of cytotoxic T cells.
    (A) B cell contact antigen → helper T cell is activated → clonal selection occurs
    (B) body cell becomes infected with a virus → new viral proteins appear → class I MHC molecule-antigen complex displayed on cell surface
    (C) complement is secreted → B cell contacts antigen → helper T cell activated → cytokines released
    (D) cytotoxic T cells → class II MHC molecule-antigen complex displayed → cytokines released → cell lysis

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核心觀念

本題考查細胞媒介免疫中,細胞毒性 T 細胞(cytotoxic T cell,CD8⁺ T cell)如何被活化。

病毒感染細胞後,病毒蛋白屬於細胞內產生的內源性抗原,會經由下列路徑被呈現:

病毒感染細胞→病毒蛋白分解成抗原片段→與第一類主要組織相容性複合體(classIMHC)結合→呈現在細胞表面→被CD8+T細胞辨識並活化病毒感染細胞 \rightarrow 病毒蛋白分解成抗原片段 \rightarrow 與第一類主要組織相容性複合體(class I MHC)結合 \rightarrow 呈現在細胞表面 \rightarrow 被 CD8⁺ T 細胞辨識並活化

活化後的細胞毒性 T 細胞會釋放穿孔素(perforin)與顆粒酶(granzyme),誘導受感染細胞凋亡或裂解,以清除病毒感染細胞。

相對地:

  • class I MHC:呈現細胞內抗原,主要活化 CD8⁺ 細胞毒性 T 細胞。
  • class II MHC:呈現細胞外抗原,主要活化 CD4⁺ 輔助型 T 細胞(helper T cell)。

解題方法

判斷各選項是否能導向細胞毒性 T 細胞活化時,依序檢查三點:

  1. 抗原是否來自病毒感染細胞內部?
  2. 是否由 class I MHC 呈現抗原?
  3. 是否形成「受感染細胞呈現抗原,供 CD8⁺ T 細胞辨識」的路徑?

只有符合「細胞內病毒抗原+class I MHC」的選項,才是細胞毒性 T 細胞活化的正確途徑。

選項分析

(A) B cell contact antigen → helper T cell is activated → clonal selection occurs

錯誤。

B 細胞接觸抗原並在輔助型 T 細胞協助下活化,主要會進行 B 細胞的克隆選擇(clonal selection)與增殖分化,形成:

  • 漿細胞(plasma cell):分泌抗體
  • 記憶 B 細胞(memory B cell):提供長期免疫記憶

此路徑屬於體液免疫,主要產生抗體,不是直接活化細胞毒性 T 細胞的途徑。

(B) body cell becomes infected with a virus → new viral proteins appear → class I MHC molecule-antigen complex displayed on cell surface

正確。

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第 8 題

  1. You cut your finger, and after putting pressure on the wound for several minutes, you notice that it is still bleeding profusely. What may be the problem?
    (A) Platelets are not functioning properly, or there are too few to be effective.
    (B) Mast cells are not releasing their chemical messengers.
    (C) There are too many antigens to allow clotting.
    (D) Hemoglobin levels are too high to allow clotting.

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此題考查血液凝固(blood clotting)的機制,以及可能導致出血不止的原因。血液凝固是一個複雜的過程,涉及血小板(platelets)和多種凝血因子。

當血管受傷時,血小板會聚集到傷口處,形成血小板塞(platelet plug),並釋放出多種化學物質,其中一些會促進更多的血小板聚集和活化。同時,凝血因子會啟動一系列的凝血級聯反應,最終將可溶性的纖維蛋白原(fibrinogen)轉化為不溶性的纖維蛋白(fibrin),形成纖維蛋白網,將血小板塞加固,形成穩定的血栓(blood clot),從而止血。

(A) 血小板在血液凝固中扮演關鍵角色。如果血小板功能異常(例如無法正常聚集或釋放促進凝固的物質),或者血小板數量不足(血小板低下症),都將嚴重影響血液凝固能力,導致傷口

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第 9 題

  1. The large surface area in the gut directly facilitates
    (A) secretion
    (B) absorption
    (C) filtration
    (D) temperature regulation

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核心觀念

本題考查動物生理學中消化系統的構造與功能適應性(Form and Function Adaptation),以及物質跨膜運輸機制。

  1. 小腸擴大表面積的三層結構:
    • 環狀褶襞(Circular folds / Plicae circulares):小腸黏膜與黏膜下層形成的褶皺(使面積增加約 33 倍)。
    • 絨毛(Villi):小腸上皮向腸腔突出的指狀突起(使面積增加約 1010 倍)。
    • 微絨毛(Microvilli / 刷狀緣 Brush border):柱狀上皮細胞頂端細胞膜的細微指狀摺疊(使面積增加約 2020 倍)。
    • 三者共同將人體小腸的總表面積擴增數百倍(約達 200–300 m2200\text{--}300\text{ m}^2)。
  2. 費克擴散定律(Fick's Law of Diffusion):
    物質擴散傳輸的速率與擴散表面積成正比: Rate of Diffusion∝A⋅ΔCd\text{Rate of Diffusion} \propto \frac{A \cdot \Delta C}{d} 其中 AA 為表面積(Surface Area)、ΔC\Delta C 為濃度差、dd 為擴散距離。極大的表面積除提升被動擴散效率外,亦容納了大量的膜載體蛋白(如 SGLT-1、GLUT2、胺基酸轉運蛋白等),直接促進養分的吸收。

解題方法

由生物學核心原則「構造決定功能(Structure determines function)」切入:
腸腔(gut lumen)內經消化分解後的小分子營養素(單醣、胺基酸、脂肪酸、甘油)、維生素、水及電解質,必須通過單層柱狀上皮細胞進入微血管或乳糜管。巨大表面積的最主要生理意義在於最大化物質接觸與轉運介面,因此最直接促進的生理作用即為吸收(absorption)。


選項分析

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第 10 題

  1. The motor (somatic nervous) system can alter the activities of its targets, the skeletal muscle fibers, because
    (A) it is electrically coupled by gap junctions to the muscles
    (B) its signals bind to receptor proteins on the muscles
    (C) its signals reach the muscles via the blood
    (D) it is connected to the internal neural network of the muscles

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此題考查運動(體神經)系統(motor/somatic nervous system)如何控制骨骼肌纖維(skeletal muscle fibers)的活動。

運動神經系統是由運動神經元組成,其軸突延伸到骨骼肌,並在肌肉纖維處形成神經肌肉接合處(neuromuscular junction)。

(A) 骨骼肌纖維之間雖然有時通過間隙連接(gap junctions)進行電偶聯(例如在心肌或平滑肌中),但骨骼肌纖維主要是由運動神經元直接支配,而不是通過間隙連接互相傳遞訊號來協調收縮。神經肌肉接合處是神經和肌肉之間主要的溝通方式。

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第 11 題

  1. Imagine that a woman is in the final week of her pregnancy. Her doctor gives her an injection of oxytocin. The likely result of this is that the pregnant woman would
    (A) stop secreting prostaglandins from the placenta
    (B) undergo vigorous contractions of her uterine muscles
    (C) increase the synthesis and secretion of progesterone
    (D) be prevented from lactation

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此題考查催產素(oxytocin)在懷孕晚期和分娩過程中的作用。催產素是一種激素,由下視丘產生,垂體後葉釋放。

(A) 前列腺素(prostaglandins)在分娩過程中也起著重要作用,能促進子宮收縮,並且與催產素協同作用。催產素的注射不會導致胎盤停止分泌前列腺素。

(B) 催產素的一個主要功能是刺激子宮平滑肌收縮。在懷孕晚期,子宮對催產素的敏感性增加。注射催產素會增強子宮收縮,這有助於啟動或加速分娩過程。此為可能結果。

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第 12 題

  1. The force driving simple diffusion is ______, while the energy source for active transport is ______.
    (A) the concentration gradient; ADP
    (B) the concentration gradient; ATP
    (C) transmembrane pumps; electron transport
    (D) phosphorylated protein carriers; ATP

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此題考查簡單擴散(simple diffusion)和主動運輸(active transport)的驅動力和能量來源。

簡單擴散 (Simple Diffusion):
簡單擴散是指物質順著其濃度梯度(concentration gradient)從高濃度區域移動到低濃度區域的過程。這個過程不需要細胞提供額外的能量,其驅動力就是濃度梯度本身。

主動運輸 (Active Transport):
主動運輸是指物質逆著其濃度梯度(或電化學梯度)從低濃度區域移動到高濃度區域的過程。這個過程需要細胞消耗能量才能進行。

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第 13 題

  1. Why is ATP an important molecule in metabolism?
    (A) Its hydrolysis provides an input of free energy for exergonic reactions.
    (B) It provides energy coupling between exergonic and endergonic reactions.
    (C) Its terminal phosphate group contains a strong covalent bond that, when hydrolyzed, releases free energy.
    (D) Its terminal phosphate bond has higher energy than the other two phosphate bonds.

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此題考查 ATP(三磷酸腺苷)在代謝中的重要性。ATP 被稱為細胞的「能量貨幣」,是因為它能夠以可利用的形式儲存和釋放能量。

ATP 的結構是腺苷(adenosine)連接三個磷酸基團。最後兩個磷酸基團之間的鍵,以及第二個和第三個磷酸基團之間的鍵,被稱為「高能磷酸鍵」(high-energy phosphate bonds)。

(A) ATP 的水解(hydrolysis)會釋放能量,而這個釋放的能量可以被用來驅動需要能量的「非 स्वतः發生反應」(endergonic reactions),而不是「exergonic reactions」( स्वतः發生反應)。Exergonic reactions 本身就會釋放能量,不需要 ATP 的額外輸入。所以此選項的說法是錯誤的。

(B) ATP 的水解釋放的能量,可以與需要能量的非 स्वतः發生反應(endergonic reactions)偶聯(couple),從而使這些反應得以進行。這正是 ATP 作為能量載體的核心功能,實現能量的轉移和偶聯。

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第 14 題

  1. In liver cells, the inner mitochondrial membranes are about five times the area of the outer mitochondrial membranes. What purpose must this serve?
    (A) It allows for an increased rate of glycolysis.
    (B) It allows for an increased rate of the citric acid cycle.
    (C) It increases the surface for oxidative phosphorylation.
    (D) It increases the surface for substrate-level phosphorylation.

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此題考查線粒體內膜結構特徵與其生理功能的關聯。內線粒體膜(inner mitochondrial membrane)是線粒體中摺疊最多的結構,其面積遠大於外膜。

(A) 糖酵解(glycolysis)發生在細胞質基質中,與線粒體內膜無關。

(B) 檸檬酸循環(citric acid cycle, Krebs cycle)發生在線粒體基質(mitochondrial matrix)中,雖然與內膜相鄰,但其反應速率的增加不直接依賴於內膜表面積的增大。

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第 15 題

  1. The beginning of anaphase is indicated by which of the following?
    (A) Chromatids lose their kinetochores.
    (B) Cohesin attaches the sister chromatids to each other.
    (C) Cohesin is cleaved enzymatically.
    (D) Spindle microtubules begin to polymerize.

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此題考查細胞有絲分裂(mitosis)或減數分裂(meiosis)中,後期(anaphase)的起始標誌。後期是細胞分裂過程中,姐妹染色單體(sister chromatids)或同源染色體(homologous chromosomes)分離的階段。

(A) 在後期開始時,姐妹染色單體並不是失去著絲粒(kinetochores)。著絲粒是紡錘絲附著的地方。姐妹染色單體是通過著絲粒連接在一起的。

(B) 在前期(prophase)和中期(metaphase)階段,姐妹染色單體會通過著絲粒連接,而著絲粒中的蛋白質複合體(cohesin)負責將姐妹染色單體緊密地結合在一起。

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第 16 題

  1. Which of the following is a true statement about sexual vs. asexual reproduction?
    (A) Asexual reproduction, but not sexual reproduction, is characteristic of plants and fungi.
    (B) In sexual reproduction, individuals transmit half of their nuclear genes to each of their offspring.
    (C) In asexual reproduction, offspring are produced by fertilization without meiosis.
    (D) Asexual reproduction produces only haploid offspring.

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此題考查有性生殖(sexual reproduction)與無性生殖(asexual reproduction)的比較。

(A) 許多植物和真菌既可以進行有性生殖,也可以進行無性生殖。例如,植物的營養繁殖(如扦插、嫁接)是無性生殖,但種子繁殖是有性生殖。真菌也可以通過孢子(有性或無性)進行繁殖。因此,斷言無性生殖「但非有性生殖」是植物和真菌的特徵是錯誤的。

(B) 在有性生殖中,每個親代個體都通過減數分裂產生配子(gametes),配子是單倍體(haploid)。減數分裂過程中會發生基因重組和染色體隨機分配,因此每個親代將其一半的染色體(以及其中包含的基因)傳遞給後代。例如,人類的父親和母親都各有 23 對染色體,他們產生的配子(精子和卵)各含有 23 條染色體,後代從父親和母親各繼承 23 條染色體,總共 46 條(23 對)。此敘述正確。

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第 17 題

  1. Which of the following is true of a species that has a chromosome number of 2n = 16?
    (A) The species is diploid with 32 chromosomes per cell.
    (B) The species has 16 sets of chromosomes per cell.
    (C) Each diploid cell has eight homologous pairs.
    (D) A gamete from this species has four chromosomes.

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此題考查染色體數量的表示法,特別是二倍體(diploid)和單倍體(haploid)的概念。

給定一個物種的染色體數為 2n=162n = 16。

  • nn 代表單倍體染色體數(即配子中的染色體數)。
  • 2n2n 代表二倍體染色體數(即體細胞中的染色體數)。

根據 2n=162n = 16,我們可以推斷:

  • 單倍體染色體數 n=16/2=8n = 16 / 2 = 8。
  • 二倍體染色體數為 16。

現在我們來分析各選項:

(A) 「The species is diploid with 32 chromosomes per cell.」 根據 2n=162n=16,該物種是二倍體,但其二倍體細胞應有 16 條染色體,而不是 32 條。32 條染色體相當於 4n4n。此選項錯誤。

(B) 「The species has 16 sets of chromosomes per cell.」 「Sets of chromosomes」通常是指染色體套數。二倍體(diploid)意味著有兩套染色體。

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第 18 題

  1. Codons are part of the molecular structure of
    (A) a protein
    (B) mRNA
    (C) tRNA
    (D) rRNA

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此題考查遺傳密碼(genetic code)的單位——密碼子(codons)的分子結構。

遺傳密碼是 DNA 或 RNA 上核苷酸序列與蛋白質氨基酸序列之間的對應關係。

(A) 蛋白質是由氨基酸組成的多肽鏈,其結構單位是氨基酸,而不是密碼子。

(B) mRNA(信使 RNA)攜帶從 DNA 轉錄來的遺傳信息,用於指導蛋白質的合成。mRNA 的核苷酸序列是以三個核苷酸為一個單元(稱為密碼子,codon)來讀碼的。每個密碼子對應一個特定的氨基酸或一個終止訊號。

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第 19 題

  1. Which viruses have single-stranded RNA that acts as a template for DNA synthesis?
    (A) proviruses
    (B) viroids
    (C) bacteriophages
    (D) retroviruses

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此題考查具有單股 RNA 基因組並能以 RNA 為模板合成 DNA 的病毒類型。

(A) 原病毒(provirus)是指整合到宿主細胞基因組中的病毒 DNA。這是一個 DNA 形式,不是 RNA。

(B) 類病毒(viroids)是僅由環狀單股 RNA 組成的感染性因子,它們沒有蛋白質外殼,且比病毒小得多。雖然它們是 RNA 病毒,但它們通常不合成 DNA,而是直接在宿主細胞中複製。

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第 20 題

  1. The reason for using Taq polymerase for PCR is that
    (A) it is heat stable and can withstand the heating step of PCR
    (B) only minute amounts are needed for each cycle of PCR
    (C) it binds more readily than other polymerases to the primers
    (D) it has regions that are complementary to the primers

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這一題的完整詳解

此題考查聚合酶鏈式反應(PCR)中使用 Taq 聚合酶(Taq polymerase)的原因。PCR 是一種體外擴增特定 DNA 片段的技術。PCR 的關鍵步驟包括:變性(denaturation)、退火(annealing)和延伸(extension)。

(A) PCR 的變性步驟需要將雙股 DNA 加熱到約 94-98°C,以分離成單股。大多數 DNA 聚合酶在此高溫下會失活。Taq 聚合酶來自一種嗜熱細菌(Thermus aquaticus),它能在高溫下保持活性,因此非常適合用於 PCR 的變性步驟,而無需在每個循環後重新添加聚合酶。此為使用 Taq 聚合酶的主要原因。

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第 21 題

  1. In an open circulatory system, blood is
    (A) always inside of vessels and is under higher pressure than in closed circulatory systems
    (B) not always confined to blood vessels and is under higher pressure than in closed circulatory systems
    (C) always inside of vessels and is under lower pressure than in closed circulatory systems
    (D) not always confined to blood vessels and is under lower pressure than in closed circulatory systems

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此題考查開放式循環系統(open circulatory system)的特徵,並與閉鎖式循環系統(closed circulatory system)比較。

開放式循環系統的特點是:

  1. 血液(或稱血淋巴,hemolymph)不完全侷限於血管內。
  2. 心臟將血淋巴泵入短的血管,然後血淋巴流出血管,進入體腔(hemocoel)中的組織間隙,直接與組織細胞接觸。
  3. 血淋巴在體腔內循環,然後通過血管或體腔壁上的孔(ostia)回流到心臟。
  4. 由於血淋巴在體腔內自由流動,且循環路徑較長且不連續,因此開放式循環系統的壓力通常比閉鎖式循環系統低。

閉鎖式循環系統的特點是:

  1. 血液完全侷限於血管內,包括動脈、靜脈和微血管。
  2. 心臟將血液泵入動脈,通過微血管與組織細胞進行物質交換,然後通過靜脈回流到心臟。
  3. 循環壓力通常較高,物質運輸效率也較高。
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第 II-1 題4 分

II. 解釋名詞: (每題4分,共40分)

  1. Autotroph

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這一題的完整詳解

自營營養生物(Autotroph)是指能夠自行合成有機養分以維持生命活動的生物。牠們通常利用無機物作為碳源(如二氧化碳)和能源(如光能或化學能),通過光合作用或化學合成作用,將無機物轉化為有機物。

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第 II-2 題4 分

II. 解釋名詞: (每題4分,共40分)
2. Endotoxins

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內毒素(Endotoxins)是革蘭氏陰性細菌(Gram-negative bacteria)細胞壁外膜(outer membrane)中的一種脂多醣體(lipopolysaccharide, LPS)成分。

當革蘭氏陰性細菌死亡並裂解時,其細胞壁外膜會釋放出 LPS,這就成為內毒素。內毒素本身毒性相對較低,但它能強烈刺激宿主免疫系統,引發一系列嚴重的免疫反應,包括發燒、炎症、低血壓,甚至休克(敗血性休克,septic sh

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第 II-3 題4 分

II. 解釋名詞: (每題4分,共40分)
3. Gram-negative bacteria

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革蘭氏陰性菌(Gram-negative bacteria)是根據細菌革蘭氏染色法(Gram staining)的結果命名的一類細菌。在革蘭氏染色過程中,這類細菌的細胞壁結構特點使其無法保留結晶紫(crystal violet)染料,而會被脫色劑(如酒精)脫色,然後被複染劑(如沙黃 safranin)染成紅色或粉紅色。

革蘭氏陰性菌的細胞壁結構與革蘭氏陽性菌(Gram-positive bacteria)有顯著差異:

  1. 細胞壁較薄:只有一層薄的肽聚醣(peptidoglycan)層。
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第 II-4 題4 分

II. 解釋名詞: (每題4分,共40分)
4. Photorespiration

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光呼吸(Photorespiration)是一種在光照條件下,植物(特別是 C3 植物)發生的一種耗氧、釋放二氧化碳的代謝過程。它與正常的有氧呼吸(aerobic respiration)不同,後者在黑暗中也能進行,並且不釋放 CO2。

光呼吸的主要原因是:

  • RuBisCO 酶的雙重活性:核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase, RuBisCO)是卡爾文循環(Calvin cycle)中的關鍵酶。在 CO2 濃度高、O2 濃度低時,它催化羧化反應(固定 CO2);
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第 II-5 題4 分

II. 解釋名詞: (每題4分,共40分)
5. Chlorophyll

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葉綠素(Chlorophyll)是植物、藻類以及藍綠菌等進行光合作用的色素。它主要存在於葉綠體(chloroplasts)的類囊體膜(thylakoid membranes)上。

葉綠素能夠吸收光能,特別是紅光和藍紫光,而反射綠光,這也是植物呈現綠色的原因。吸收的光能被用來激發葉綠素分子中的電子,這些高能電子隨後參與光合作用的光反應,最終將光能轉化為化學能(ATP 和 NADPH),用於固定二氧化碳合成有機物。

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第 II-6 題4 分

II. 解釋名詞: (每題4分,共40分)
6. Commensalism

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共生(Commensalism)是生態學中描述兩種不同物種之間的一種相互關係。在這種類型的共生關係中,其中一個物種(共生者,commensal)從這種關係中獲益,而另一個物種(宿主,host)則不受影響,既不獲益也不受損。

這種關係的例子包括:

  • 附著在其他動物身上的附生植物(epiphytes),如蘭花附生在樹上,它們從樹幹獲得支撐和光照,而樹本身並沒有明顯的利弊。
  • 一些寄居蟹(hermit crabs)背著海葵(sea anemones)。
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第 II-7 題4 分

II. 解釋名詞: (每題4分,共40分)
7. G0 phase

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G0 期(G0 phase)是細胞週期(cell cycle)中的一個特殊階段,通常被認為是細胞的「靜止期」或「非分裂期」。細胞進入 G0 期後,會暫時或永久地停止分裂。

細胞可能因為以下原因進入 G0 期:

  1. 暫時停止分裂:當細胞接收到停止分裂的訊號(例如營養物質不足、生長因子缺乏)時,會暫時進入 G0 期。一旦條件改善,細胞可能重新進入細胞週期,繼續分裂。
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第 II-8 題4 分

II. 解釋名詞: (每題4分,共40分)
8. Action potential

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動作電位(Action potential),又稱神經衝動(nerve impulse),是神經元(neurons)和肌肉細胞(muscle cells)等可興奮細胞(excitable cells)在受到刺激後,其細胞膜上的電位發生快速、暫時性劇烈變化的過程。

動作電位的產生與細胞膜離子通道的開放和關閉有關,特別是鈉離子(Na+)和鉀離子(K+)通道。其主要過程包括:

  1. 去極化(Depolarization):當細胞膜受到刺激,達到閾值(threshold)時,鈉離子通道快速打開,大量 Na+ 內流,導致細胞內電位由負變正。
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第 II-9 題4 分

II. 解釋名詞: (每題4分,共40分)
9. Negative feedback

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這一題的完整詳解

負回饋(Negative feedback)是一種調節機制,其中系統的輸出(output)或結果會反過來抑制或減弱導致該輸出的初始刺激或過程。換句話說,當某個指標偏離其設定點(set point)時,負回饋系統會啟動反應來將該指標拉回到設定點。

這在生物體內非常普遍,用於維持內環境的穩定(homeostasis)。

例如:

  • 血糖調節:當血糖升高時,胰島素分泌增加,促進細胞攝取葡萄糖,從而降低血糖。
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第 II-10 題4 分

II. 解釋名詞: (每題4分,共40分)
10. Phagocytosis

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這一題的完整詳解

吞噬作用(Phagocytosis)是一種細胞吞噬大顆粒物質(如微生物、細胞碎片、異物)的過程,屬於胞吞作用(endocytosis)的一種。

在這個過程中,細胞膜會向內凹陷,將目標顆粒包圍起來,形成一個稱為吞噬泡(phagosome)的膜狀囊泡,然後將其運送到細胞內部。吞噬泡隨後會與溶酶體(lysosome)融合,溶酶體內的消化酶會分解吞噬泡內的物質。

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第 III-1 題6 分

III. 簡答題: (每題6分,共18分)

  1. How are C3, C4, and CAM plants similar to and different from one another?

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C3、C4 和 CAM 植物都是進行光合作用的植物,它們的共同點和不同點主要體現在對二氧化碳的固定方式以及對環境(特別是溫度和水分)的適應上。

共同點 (Similarities):

  1. 最終目標:所有這三類植物都利用光能將二氧化碳轉化為有機物(糖類),這是光合作用的最終目的。
  2. 卡爾文循環:它們都使用卡爾文循環(Calvin cycle)來將固定的碳還原成糖。卡爾文循環是光合作用的暗反應階段,在所有進行光合作用的植物中都存在。
  3. 基本光反應:它們都依賴葉綠體中的光反應來產生 ATP 和 NADPH,為卡爾文循環提供能量和還原力。
  4. 葉綠素:它們都含有葉綠素,用於吸收光能。

不同點 (Differences):

特徵C3 植物C4 植物CAM 植物
初級 CO2 固定酶RuBisCOPEP carboxylase (PEPcase)PEP carboxylase (PEPcase)
初級 CO2 固定產物3-磷酸甘油酸 (3-PGA) (3碳化合物)草醯乙酸 (Oxaloacetate) (4碳化合物)草醯乙酸 (Oxaloacetate) (4碳化合物)
CO2 固定與卡爾文循環的空間分離無空間分離,兩者發生在同一種細胞(葉肉細胞)有空間分離:CO2 固定在葉肉細胞,卡爾文循環在維管束鞘細胞。有時間分離:CO2 固定在夜間,卡爾文循環在白天。
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第 III-2 題6 分

III. 簡答題: (每題6分,共18分)
2. Compare the similarities and differences between transformation, transduction, and conjugation in prokaryotic cells.

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這一題的完整詳解

這題考的是原核生物的三種基因水平轉移(horizontal gene transfer)機制:轉形(transformation)、轉導(transduction)和接合(conjugation)。這些機制都允許細菌獲得新的遺傳物質,進而產生演化優勢,但它們在遺傳物質的來源、傳遞媒介和過程上有所不同。

解題過程:

1. 核心觀念:原核生物的基因水平轉移

原核生物,尤其是細菌,能夠透過非無性生殖的方式獲得外來的遺傳物質,這被稱為基因水平轉移。這與垂直轉移(親代傳給子代)不同,水平轉移可以跨物種傳遞基因,是細菌演化和適應環境的重要驅動力。題目要求比較的是其中三種重要的水平轉移機制:轉形、轉導和接合。

2. 轉形 (Transformation)

  • 定義與過程:轉形是指細菌直接吸收環境中游離的 DNA 片段,並將其整合到自己的基因組中。這些游離的 DNA 通常來自於死亡並裂解的其他細菌。
  • 遺傳物質來源:環境中的游離 DNA 片段。
  • 傳遞媒介:無特定的媒介,是直接從環境吸收。
  • 關鍵步驟:「為什麼」細菌會進行轉形?部分細菌具有「感受態」(competence)的能力,這是一種生理狀態,使其能夠有效地吸收外來 DNA。這種能力可能受環境因子(如營養狀態、細胞密度)誘導,也可能由特定基因調控。外來的 DNA 必須能夠在受體細胞內穩定存在(例如,與細菌染色體同源的區域發生重組,或以質體形式存在),才能被視為成功轉形。
  • 相似性:獲得外來的 DNA。
  • 差異性:不需要媒介,直接吸收環境 DNA。

3. 轉導 (Transduction)

  • 定義與過程:轉導是由噬菌體(bacteriophage,一種感染細菌的病毒)介導的基因轉移。在噬菌體感染細菌的過程中,可能會誤將宿主細菌的 DNA 包裹進新的噬菌體顆粒中。當這個帶有細菌 DNA 的噬菌體感染另一個細菌時,它就會將細菌 DNA 傳遞給新的宿主。
  • 遺傳物質來源:來自被感染的「供體」細菌,透過噬菌體載體傳遞。
  • 傳遞媒介:噬菌體(病毒)。
  • 關鍵步驟:「為什麼」會發生轉導?這是噬菌體複製週期的偶然事件。在某些情況下,當噬菌體頭部組裝時,它可能會錯誤地將一段宿主 DNA 包裹進衣殼,而不是其自身的病毒基因組。這種「轉導顆粒」(transducing particle)將細菌 DNA 帶到下一個被感染的細胞。轉導又可細分為普遍性轉導(generalized transduction),幾乎任何細菌基因片段都可能被誤裝;以及特殊性轉導(specialized transduction),僅特定區域的細菌基因(通常是緊鄰病毒整合位點的基因)會被轉移。
  • 相似性:獲得外來的 DNA;遺傳物質由一個細菌傳遞到另一個細菌。
  • 差異性:需要噬菌體作為媒介。

4. 接合 (Conjugation)

  • 定義與過程:接合是透過直接細胞接觸,由一個細菌將 DNA 傳遞給另一個細菌的過程。通常涉及一個「供體」細胞(通常帶有 F 質體,F factor)與一個「受體」細胞。供體細胞會形成一個稱為「接合菌毛」(conjugation pilus)的結構,用於連接兩個細胞,然後將 DNA(通常是質體或部分染色體)複製並轉移到受體細胞。
  • 遺傳物質來源:通常是質體(plasmid),但也可能包含部分染色體 DNA(例如,當 F 質體整合到染色體中成為 Hfr 細胞時)。
  • 傳遞媒介:細胞間的直接接觸,藉由接合菌毛。
  • 關鍵步驟:「為什麼」會發生接合?這是由質體上攜帶的基因所調控的。F 質體帶有數十個基因,其中一些基因負責形成接合菌毛,另一些則參與 DNA 的複製和轉移(稱為 transfer genes)。接合能讓質體在菌群中快速擴散,並且當 F 質體整合到宿主染色體中成為 Hfr 細胞時,可以將染色體上的基因片段轉移給受體,這對於基因重組非常重要。
  • 相似性:獲得外來的 DNA;遺傳物質由一個細菌傳遞到另一個細菌。
  • 差異性:需要細胞間直接接觸(透過接合菌毛),通常是質體或部分染色體 DNA 的轉移。

5. 總結比較

特徵轉形 (Transformation)轉導 (Transduction)接合 (Conjugation)
遺傳物質來源環境中的游離 DNA 片段供體細菌的 DNA(透過噬菌體包裝)供體細菌的質體或部分染色體 DNA
傳遞媒介無(直接吸收)噬菌體(病毒)細胞間直接接觸(接合菌毛)
發生機制細菌吸收環境中的游離 DNA噬菌體感染過程中,誤將宿主 DNA 包裹進病毒顆粒供體細胞透過接合菌毛與受體細胞連接,並傳遞 DNA
DNA 形式DNA 片段(可重組或整合)DNA 片段質體或染色體片段
主要意義獲取環境中的基因病毒介導的基因傳遞質體擴散、基因重組(Hfr 接合)
必要條件細菌具備「感受態」;DNA 穩定性噬菌體感染週期;
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