109 年 國立臺灣大學昆蟲學系碩士班甲組《昆蟲學》

本題主要在探討昆蟲對人類生活各方面的影響，包括正面與負面。作答時需涵蓋多個面向，並舉出具體實例。

核心觀念： 昆蟲與人類的互動關係是多樣且複雜的，涵蓋了食物來源、傳播疾病、農業害蟲、授粉者、科學研究模型、文化象徵等多個層面。

解題思路：

1. 正面關係：

   • 食物來源： 昆蟲是許多文化中的傳統食物，富含蛋白質、脂肪及其他營養素。例如，蝗蟲、蟋蟀、蠶蛹等。
   • 授粉者： 許多農作物（如水果、蔬菜、堅果）的傳粉依賴昆蟲（如蜜蜂、蝴蝶），對糧食生產至關重要。
   • 生物防治： 某些昆蟲（如瓢蟲、寄生蜂）可以捕食或寄生於農業害蟲，達到控制害蟲數量的目的。
   • 資源利用： 昆蟲分泌物可作為資源，如蠶絲（蠶）、蟲膠（紫膠介殼蟲）、蜂蜜與蜂蠟（蜜蜂）。
   • 科學研究： 昆蟲（如果蠅、蟑螂）因其生命週期短、易飼養、基因組相對簡單等特性，成為重要的模式生物，在遺傳學、發育生物學、神經科學等領域有廣泛應用。
   • 文化藝術： 昆蟲在文學、繪畫、音樂、宗教等方面常被作為意象或象徵。

2. 負面關係：

   • 疾病傳播者： 許多昆蟲是重要的病媒，傳播人類和動物的疾病。例如，蚊子傳播瘧疾、登革熱、茲卡病毒；跳蚤傳播鼠疫；蝨子傳播斑疹傷寒；蒼蠅傳播傷寒、痢疾等。

本題要求說明食用昆蟲的優勢，以及未來發展的潛力，需要結合營養學、環境學、經濟學和技術學等角度來闡述。

核心觀念： 食用昆蟲（Entomophagy）是人類古老的飲食習慣，近年來因其營養價值、環境永續性及經濟潛力而重新受到重視。

解題思路：

一、推廣食用昆蟲的原因：

1. 營養價值高 (Nutritional Value)：

   • 蛋白質豐富： 昆蟲富含高品質的蛋白質，胺基酸組成完整，與動物性蛋白質相當。
   • 脂肪健康： 含有豐富的不飽和脂肪酸，如 Omega-3 和 Omega-6。
   • 維生素與礦物質： 含有多種維生素（如 B 群）和礦物質（如鐵、鋅、鈣）。
   • 纖維質： 含有幾丁質（Chitin）等膳食纖維。

2. 環境永續性 (Environmental Sustainability)：

   • 資源利用效率高： 昆蟲飼養所需的土地、水和飼料量遠低於傳統畜牧業。
   • 溫室氣體排放少： 相較於牛、豬等，昆蟲產生的甲烷、氮氧化物等溫室氣體量較少。
   • 飼料轉換率高： 昆蟲能有效將飼料轉換為體重。
   • 廢棄物再利用： 昆蟲可飼養於有機廢棄物上，有助於資源循環。

3. 經濟潛力 (Economic Potential)：

   • 飼養門檻較低： 相較於傳統畜牧，初期投資和技術要求相對較低，有利於發展中國家的小農經濟。
   • 市場需求潛力： 隨著全球人口增長和對永續食物來源的關注，市場需求預期將持續增加。
   • 多元產品開發： 可開發成全蟲、蟲粉、蟲油、蛋白質萃取物等多元化產品。

4. 糧食安全 (Food Security)：

   • 作為傳統肉類蛋白質的補充或替代，有助於應對全球糧食短缺問題。

二、未來發展：

1. 技術與規模化生產：
   • 自動化飼養系統： 開發更先進、自動化的飼養設備，提高生產效率和品質控制。
   • 標準化飼料配方： 研究適合不同種類昆蟲的優化飼料，確保營養均衡和生長速度。
   • 病害防治： 建立有效的病害監測與防治機制，避免大規模損失。

本題旨在考察學生對昆蟲外部形態結構的理解，以及將這些結構特徵應用於仿生學（Bionics）的知識。需要針對每一項結構，提出具體的應用實例或潛在的未來應用方向。

核心觀念： 昆蟲經過長期的演化，發展出許多極具功能性的外部結構，這些結構的原理和機制可以啟發人類的工程設計和技術創新。

解題思路： 針對 (1) Insect cuticle, (2) Insect mouthparts, (3) Insect legs, (4) Insect wings 這四個項目，分別闡述其特性，並連結到仿生學的應用。

(1) Insect cuticle (昆蟲角質層)

• 特性：

  • 輕盈且堅固 (Lightweight and Strong)： 由幾丁質（chitin）和蛋白質組成，具有良好的力學性能，強度高但密度小。
  • 多層次結構 (Multi-layered Structure)： 具有外層（epicuticle）、外骨骼層（exocuticle）、內骨骼層（endocuticle）等，提供不同的功能，如防水、保護、支撐。
  • 可塑性與變形能力 (Flexibility and Deformability)： 在關節處或某些部位，角質層較薄且柔韌，允許運動。
  • 表面紋理 (Surface Texture)： 表面可能具有微米級或奈米級的特殊紋理，影響其疏水性、黏附性、顏色等。

• 仿生應用 (Bionics Applications)：

  • 輕量化材料： 模仿角質層的力學結構，開發用於航空、汽車、運動器材等的輕量化複合材料。
  • 防護塗層： 模仿其堅固、耐磨的特性，用於開發新型防護塗層或裝甲材料。
  • 自潔表面 (Self-cleaning Surfaces)： 許多昆蟲翅膀或身體表面具有超疏水性，是由微觀/奈米級的結構（如蓮葉效應）與角質層的疏水性化學成分共同作用。可模仿此原理開發自潔玻璃、紡織品、電子元件等。
  • 生物相容性材料： 幾丁質本身具有良好的生物相容性，可開發用於醫療植入物、傷口敷料等。

(2) Insect mouthparts (昆蟲口器)

• 特性：

  • 高度多樣性 (High Diversity)： 根據取食對象和方式，演化出極為多樣的口器類型，如咀嚼式（mantid, cockroach）、刺吸式（mosquito, butterfly）、刮食式（aphids）、舐吸式（housefly）等。
  • 精密的結構與運動： 各個口器組件（如上顎、下顎、唇瓣、喙）結構精巧，能進行精準的切割、刺穿、吸取、舔舐等動作。
  • 特定功能組件： 如蚊子的口器能刺穿皮膚並吸血，蝴蝶的喙（proboscis）能伸入花朵吸取花蜜。

• 仿生應用 (Bionics Applications)：

  • 微創手術器械： 模仿蚊子口器刺穿組織並輸送液體的機制，設計微創手術針、導管，或用於藥物傳輸系統。
  • 微型機器人抓取器/探針： 模仿昆蟲口器的精巧結構，開發用於精密操作、探測或採樣的微型機器人末端執行器。
  • 吸附裝置： 模仿某些昆蟲口器（如壁蝨）吸附的機制，開發用於醫療或工程的微型吸附裝置。
  • 進料與分揀設備： 模仿昆蟲口器精準抓取、切割食物的動作，用於自動化生產線的進料或分揀系統。

(3) Insect legs (昆蟲足)

• 特性：
  • 多樣化的功能化 (Functional Diversification)： 腿部結構根據昆蟲的生活方式和棲息環境，演化出多種適應性，如：
    • 爬行與行走 (Walking/Running)： 大多數昆蟲的基本功能，如蟑螂、螞蟻。
    • 跳躍 (Jumping)： 如蝗蟲、跳蚤，具有發達的後腿肌肉和彈性結構。
    • 挖掘 (Digging)： 如金龜子幼蟲、螻蛄，具有寬大、帶刺的脛節。
    • 捕食 (Prehensile/Raptorial)： 如螳螂，前足特化成捕食工具。

本題要求考生列舉四位對生物學有重大貢獻的科學家及其主要成就。這需要考生對生物學史上的重要人物及其學術貢獻有基本的認識。

核心觀念： 生物學的發展是歷代科學家不斷探索、累積、革新的結果。了解這些奠基者的貢獻，有助於理解生物學的演進脈絡。

解題思路： 針對每一位科學家，簡要說明其最為人所知的貢獻。

• Carl Linnaeus (卡爾·林奈)：

  • 貢獻： 被譽為「分類學之父」。
  • 主要成就：
    • 創立了雙名法 (Binomial Nomenclature)，為所有已知生物指定了由屬名和種加詞組成的學名，至今仍在使用。
    • 建立了層級分類系統 (Hierarchical Classification System)，將生物劃分為界（Kingdom）、門（Phylum）、綱（Class）、目（Order）、科（Family）、屬（Genus）、種（Species）等層級。
    • 《物種起源》(Systema Naturae) 等著作，系統性地描述和命名了大量物種。

• Charles Darwin (查爾斯·達爾文)：

  • 貢獻： 被譽為「演化論之父」。
  • 主要成就：
    • 提出天擇說 (Theory of Natural Selection)，解釋生物演化的機制。他認為生物個體存在變異，且資源有限，物競天擇，適者生存，不適者被淘汰，長此以往導致物種演化。
    • 《物種起源》(On the Origin of Species) 著作，提出了演化論，徹底改變了人們對生命起源和發展的認識。
    • 對生物多樣性、地理分布、古生物學等領域都有深入研究。

• Jean-Henri Fabre (讓-亨利·法布爾)：

  • 貢獻： 被譽為「昆蟲詩人」、「昆蟲學之父」。
  • 主要成就：
    • 對昆蟲行為的開創性觀察與記錄： 他花費數十年時間，以生動、細膩的筆觸，記錄了大量昆蟲（特別是無脊椎動物）的食性、繁殖、築巢、狩獵、社會行為等，例如對擬織葉蜂、聖甲蟲、穴蜂等的詳細觀察。
    • 《昆蟲記》(Souvenirs Entomologiques) 系列著作，將科學觀察與文學寫作完美結合，極大地普及了昆蟲學知識，影響了後世的昆蟲學研究和科普寫作。
    • 他的研究強調對動物行為進行細緻的田野觀察，而非僅依賴實驗室實驗。

• Edward Osborne Wilson (愛德華·奧斯本·威爾遜)：

本題要求說明入侵種成功入侵的條件，並舉例說明具體物種及其造成的危害。這是生態學中關於外來種與入侵種的重要議題。

核心觀念： 入侵種的成功不僅取決於其本身特質，也與接收環境的條件（易感性）有關。入侵種的危害是多方面的，包括生態、經濟和健康。

解題思路：

第一部分：入侵種成功入侵的優勢或特色 (6%)

入侵種之所以能在新環境中立足並擴散，通常具備以下一些或多個特質，這些特質使其能克服新環境的挑戰，並在與本地物種的競爭中取得優勢：

1. 強的繁殖能力 (High Reproductive Rate)：

   • 能夠快速產生大量後代，迅速增加族群數量。
   • 例如，某些植物能產生大量種子，或某些動物繁殖週期短、每胎數量多。

2. 廣泛的食性或掠食者少 (Generalist Diet or Few Predators)：

   • 廣泛食性 (Generalist Diet)： 能適應多種食物來源，不易受單一食物匱乏的影響。
   • 缺乏天敵 (Lack of Natural Enemies)： 在新環境中，牠們可能沒有遇到演化上能有效控制其族群的天敵，導致族群不受約束地增長。

3. 快速的生長與擴散能力 (Rapid Growth and Dispersal)：

   • 能夠在新環境中快速生長、成熟，並迅速擴散到新的區域。
   • 例如，種子透過風、水、動物傳播；動物能快速移動或利用人類交通工具。

4. 競爭優勢 (Competitive Advantage)：

   • 能更有效地獲取資源（如陽光、水分、養分、空間、食物），擠壓本地物種的生存空間。
   • 有些入侵種能改變環境（如改變土壤成分、水文條件），使其更適合自身生長。

5. 對環境變化的適應性 (Tolerance to Environmental Changes)：

   • 能適應較寬廣的環境條件（如溫度、濕度、鹽度、pH值），在受干擾的棲地中更容易生存。

6. 演化適應性 (Evolutionary Adaptability)：

   • 部分入侵種具有較強的基因變異能力，能快速適應新環境的壓力。

7. 與人類活動的關聯 (Association with Human Activities)：

   • 許多入侵種是隨著人類的貿易、旅遊、農業活動等被引入的，牠們可能適應了人類改變的環境，並藉由人類活動進一步擴散。

第二部分：舉例說明入侵種及其危害 (9%)

以下列舉三個在台灣或全球較為知名的入侵種，並說明其危害：

1. 福壽螺 (Apple Snail, Pomacea canaliculata)
   • 入侵性： 原產於南美洲，因作為食用或觀賞水產引進，後逃逸至野外。
   • 危害：
     • 農業危害： 嚴重危害水稻、茭白筍、蔬菜等作物，牠們會啃食幼苗，造成農民重大的經濟損失。
     • 生態危害： 繁殖速度極快，與本地螺類競爭食物和棲地，可能影響本地水生生態系統。
     • 疾病傳播： 是廣東住血線蟲的中間宿主，可能傳播寄生蟲疾病給人類（若生食或處理不當）。

本題要求說明分子生物學技術在生物學研究中的應用，特別是在分類、生態和演化這三個領域。需要具體說明技術與研究議題的結合。

核心觀念： 分子生物學技術，如 DNA 定序、PCR、基因體學、蛋白質體學等，提供了前所未有的工具，讓我們能從基因層面深入理解生物的親緣關係、族群結構、適應機制和演化歷程。

解題思路： 針對分類、生態、演化這三個領域，各舉一個分子生物學技術的應用實例。

(一) 分類學 (Taxonomy/Systematics) 的應用

• 研究議題： 釐清物種間的親緣關係、界定新物種、解決分類上的爭議（如將哪些亞種提升為種，或將哪些物種合併）。
• 分子生物學技術： DNA 定序（特別是特定基因區域，如粒線體 DNA 的 COI 基因、核糖體 RNA 基因），DNA 條碼 (DNA Barcoding)，比較基因體學 (Comparative Genomics)。
• 應用實例：
  • DNA 條碼技術： 利用標準化基因序列（如 COI 基因）作為生物的「條碼」，透過比對序列差異，可以快速、準確地鑑定物種，尤其對於形態不明顯、幼體與成體差異大、或難以區分的物種（例如許多昆蟲、魚類、真菌）。例如，利用 DNA 條碼技術，科學家能更精確地鑑定出過去被認為是單一物種的集合體中，實際上包含多個隱藏的物種 (cryptic species)，從而修正現有的分類系統。
  • 建構分子親緣關係圖 (Phylogenetic Trees)： 透過定序多個基因或整個基因體，可以建構出不同物種或群體之間的演化關係樹，這有助於理解物種的演化歷程和分類群的界定。

(二) 生態學 (Ecology) 的應用

• 研究議題： 了解族群結構、基因流動、物種分布、食物網關係、菌群組成、環境適應機制。
• 分子生物學技術： 族群遺傳學分析 (Population Genetics Analysis)，DNA 聚合酶鏈鎖反應 (PCR) 結合特定引子，環境 DNA (eDNA) 技術，高通量定序 (High-throughput Sequencing) 如 16S rRNA 或 ITS 定序用於微生物群落分析。
• 應用實例：
  • 環境 DNA (eDNA) 技術： 生物體會不斷釋放 DNA 到其所處的環境中（如水中、土壤中），eDNA 技術透過採集環境樣本，進行 PCR 或高通量定序，可以偵測到該環境中存在哪些生物。這對於監測稀有、隱蔽或難以直接觀察的物種（如水生生物、地下生物）非常有幫助，也可用於評估生物入侵的早期預警。例如，透過分析水體中的 eDNA，可以偵測到特定魚類、兩棲類或甚至入侵種的存在，而無需實際捕捉到牠們。

本題為典型的昆蟲學生理學題目，主要探討昆蟲開放式循環系統的組成器官以及驅動血淋巴流動的機制。

核心觀念： 昆蟲循環系統是開放式的，主要由背血管（心臟和主動脈）和體腔組成。血淋巴的流動主要由心臟的搏動以及體腔內的肌肉協同作用來驅動。

解題思路：

第一部分：昆蟲循環系統的組成器官

昆蟲的循環系統是一種開放式循環系統 (Open Circulatory System)，與脊椎動物的閉鎖式循環系統不同。其主要組成部分包括：

1. 背血管 (Dorsal Vessel)： 這是循環系統的主體，位於體腔的背側，通常由兩部分組成：

   • 心臟 (Heart)： 位於腹部後方，由一系列具搏動能力的腔室（稱為心室，ventricles）組成。心臟的搏動是驅動血淋巴向前流動的主要動力。
   • 主動脈 (Aorta)： 位於心臟前方，是一條較細、無搏動能力的管道，將心臟推動的血淋巴輸送到頭部或體腔前方。

2. 體腔 (Hemocoel)： 這是昆蟲主要的體腔，充滿血淋巴。循環系統並非封閉在血管內，而是血淋巴在體腔內流動，直接接觸組織和器官。

3. 輔助循環器官 (Accessory Pulsatile Organs)：

   • 側心 (Alary Muscles / Lateral Hearts)： 位於心臟兩側，呈扇形或羽狀的肌肉。牠們的收縮和舒張會改變體腔的壓力，幫助血淋巴進入心臟。
   • 其他輔助結構： 在某些昆蟲的附肢（如翅膀、觸角、足）末端，可能存在輔助的搏動性結構，幫助血淋巴到達這些末端區域。

4. 血淋巴 (Hemolymph)： 這是昆蟲的循環液，相當於脊椎動物的血液和淋巴的混合物。它在體腔內循環，運輸營養物質、代謝廢物、激素，並參與免疫防禦，但不負責運輸氧氣（氧氣主要透過氣管系統運輸）。血淋巴包含血漿 (hemolymph plasma) 和血細胞 (hemocytes)。

總結組成器官： 背血管（心臟和主動脈）、體腔（hemocoel）、側心（或稱輔助搏動器官）、以及循環液血淋巴。

第二部分：血淋巴在體腔內流動的動力來源

血淋巴的流動動力主要來自以下組織的協同作用：

1. 心臟 (Heart)：
   • 機制： 心臟由肌肉構成，能規律性地收縮（收縮期，systole）和舒張（舒張期，diastole）。
   • 作用： 在收縮時，心臟將其腔室內的血淋巴向前（朝向頭部）泵出，進入主動脈，再擴散到體腔。

本題要求說明昆蟲基因組學資訊在昆蟲學各領域研究中的應用。這是一個結合了分子生物學、演化學、生態學、害蟲防治等知識的綜合性問題。

核心觀念： 基因組學提供了生物體遺傳訊息的完整藍圖，這使得科學家能夠從根本上理解生物體的結構、功能、演化、行為和與環境的互動。

解題思路： 基因組學的資訊可以應用於昆蟲學的眾多領域。需從不同角度列舉說明。

昆蟲基因組學資訊的應用領域：

1. 分類學與演化學 (Taxonomy & Evolutionary Biology)：

   • 精確的物種鑑定與分類： 透過比較基因組序列，可以更精確地劃分物種，解決分類爭議，尤其對於隱藏物種 (cryptic species)。
   • 重建演化關係： 利用基因組數據建構高解析度的演化樹，追溯物種的起源、分化時間、基因流動歷史。
   • 研究演化適應機制： 鑑定與特定演化事件（如飛行、口器演化、抗藥性、棲息地適應）相關的基因，理解其分子機制。例如，分析基因組中是否存在與飛行相關的關鍵基因，或比較不同生態位的昆蟲在感知、代謝、免疫等基因上的差異。

2. 生態學與族群遺傳學 (Ecology & Population Genetics)：

   • 族群結構與基因流動分析： 利用基因組的標記（如 SNP），精確評估族群間的遺傳分化程度、基因交換情況，了解其空間分布、遷徙模式。
   • 適應性演化研究： 鑑定與環境適應（如對溫度、濕度、鹽度、特定化學物質的耐受性）相關的基因，探討其演化基礎。
   • 物種互動研究： 分析寄生蟲與宿主、共生菌與宿主之間的基因組信息，理解其共同演化 (co-evolution) 過程。

3. 害蟲綜合管理 (Integrated Pest Management, IPM)：

   • 抗藥性機制研究： 鑑定導致昆蟲對殺蟲劑產生抗性的基因變異，預測抗藥性的擴散，開發新的防治策略。
   • 誘捕器與監測： 了解昆蟲的嗅覺受體基因，設計更有效的性費洛蒙或趨避劑，用於精準監測和誘捕害蟲。
   • 生物防治： 鑑定有益昆蟲（如天敵）的基因組，了解其捕食或寄生行為的分子基礎，以優化生物防治方法。
   • 基因驅動技術 (Gene Drive)： 利用基因組編輯技術，設計能快速擴散特定基因（如導致不育或易感性）的技術，用於控制害蟲族群。

4. 農業與生物技術 (Agriculture & Biotechnology)：

   • 益蟲與害蟲的分子標記： 快速鑑定益蟲（如授粉昆蟲）和害蟲。