112 年 國立臺灣大學昆蟲學系碩士班《昆蟲學》

本題主要在比較昆蟲的開放式循環系統與脊椎動物的閉鎖式循環系統的差異，並探討系統受損時對生物體造成的影響。

循環系統的差異：

• 開放式循環系統（昆蟲）：

  • 血液（血淋巴）不完全在血管內流動，而是部分流出血管，直接浸潤組織器官。
  • 心臟（背血管）將血淋巴泵入一連串的血管（背動脈），這些血管通常只延伸到身體的一部分，然後血淋巴流出血管，進入體腔（hemocoel），與器官直接接觸。
  • 體腔內有許多結構，如隔膜（diaphragms）和橫膈（peritoneal membranes），可以引導血淋巴的流動，但並非完全封閉的血管網絡。
  • 血淋巴的功能除了運輸養分、廢物和激素外，也參與免疫反應，但氧氣運輸效率不高，主要由氣管系統負責。

• 閉鎖式循環系統（脊椎動物）：

  • 血液完全在連續的血管系統內流動，包括動脈、靜脈和微血管。
  • 心臟是一個強而有力的泵，將血液輸送到全身。
  • 微血管網絡遍佈全身組織，負責血液與組織細胞之間的物質交換。
  • 血液與組織細胞之間有明確的界線，不會直接浸潤組織。
  • 血液中含有血紅素等攜氧物質，氧氣運輸效率高。

本題考查基因轉錄過程中，起始與終止的訊號及其辨識機制。

轉錄的起始與終止訊息：

• 起始訊息 (Initiation Signal)：

  • 在原核生物和真核生物中，轉錄的起始都發生在基因的啟動子（promoter）區域。
  • 啟動子是位於基因編碼區上游（5'端）的一段特定 DNA 序列。
  • 啟動子包含一個或多個結合位點，能夠被 RNA 聚合酶（RNA polymerase）或相關的轉錄因子識別並結合。
  • 在原核生物中，sigma (σ) 因子是 RNA 聚合酶的核心酶結合到啟動子上，識別 -10 (Pribnow box) 和 -35 區域的特定序列。
  • 在真核生物中，情況更複雜，需要多種轉錄因子（如 TFIID 結合 TATA box）與啟動子區域結合，然後招募 RNA 聚合酶 II（負責 mRNA 的轉錄）。

• 終止訊息 (Termination Signal)：

  • 轉錄的終止是 RNA 聚合酶停止合成 RNA 並從 DNA 模板上分離的過程。
  • 原核生物：
    • ρ (rho) 非依賴性終止 (Rho-independent termination)： DNA 序列中存在一個富含 G-C 的倒轉重複序列，後面緊接著一段富含 A 的序列。當這個倒轉重複序列被轉錄成 RNA 後，會在 RNA 上形成一個穩定的髮夾結構（hairpin loop）。這個髮夾結構會減緩 RNA 聚合酶的移動，並使 RNA-DNA 雜合體不穩定。緊接著的 A-U 鍵較弱，容易斷裂，導致 RNA 聚合酶脫落。
    • ρ (rho) 依賴性終止 (Rho-dependent termination)： 存在一個 rho 蛋白結合位點（rut site）在剛合成的 RNA 上，rho 蛋白（一種 ATP 酶）結合到這個位點，並沿著 RNA 移動。

本題主要探討昆蟲血糖成分的特殊性，以及其醣類儲存的組織。

為何昆蟲血糖為海藻糖而非葡萄糖？

海藻糖（Trehalose）是一種雙醣，由兩個葡萄糖單元經 α,α-1,1 糖苷鍵連接而成。與葡萄糖相比，海藻糖具有以下優勢，使其成為昆蟲血糖的主要成分：

1. 抗變性（Resistant to hydrolysis）： 海藻糖的 α,α-1,1 糖苷鍵比葡萄糖的 α-1,4 或 β-1,4 糖苷鍵更難被水解。這意味著在昆蟲體內，海藻糖相對穩定，不易被非特異性的糖苷酶分解，因此可以維持血糖濃度的穩定。這對於應對環境壓力（如脫水、高溫、缺氧）至關重要。
2. 滲透壓調節（Osmotic regulation）： 海藻糖在細胞外積累時，能夠有效調節滲透壓，保護細胞免受滲透性損傷。在脫水時，細胞內外滲透壓可能發生劇烈變化，海藻糖的積累有助於維持細胞的形態和功能。
3. 能量儲存與快速釋放（Energy storage and rapid release）： 雖然海藻糖本身不能直接進入細胞被代謝，但當需要能量時，細胞膜上的海藻糖酶（trehalase）可以將海藻糖迅速水解成兩分子葡萄糖，提供快速的能量來源。這種機制允許昆蟲在短時間內獲得大量葡萄糖，應對劇烈的運動需求。

本題考查 RNA interference (RNAi) 的作用機制及其在昆蟲學領域的應用。

RNA interference (RNAi) 作用機制：

RNA interference (RNAi) 是一種廣泛存在於真核生物中的基因沉默機制，通過雙鏈 RNA (dsRNA) 誘導目標 mRNA 的降解或抑制其轉譯，從而達到降低特定基因表達的目的。其主要機制可分為以下幾個步驟：

1. dsRNA 的產生與切割：

   • 外源性的 dsRNA（如病毒 RNA 或實驗引入的 dsRNA）或內源性的 dsRNA（如 microRNA 前體）被細胞識別。
   • dsRNA 被一種稱為 Dicer 的 RNase III 型核酸酶切割，產生約 21-25 個核苷酸長的短雙鏈 RNA 分子，稱為 小干擾 RNA (small interfering RNA, siRNA) 或 microRNA (miRNA)。siRNA 和 miRNA 在結構上相似，但來源和作用略有不同。

2. RNA 誘導的沉默複合物 (RISC) 的形成與活化：

   • siRNA 或 miRNA 的一條鏈（通常是乘客鏈，乘客鏈會被捨棄）被解旋酶移除，另一條鏈（導引鏈，guide strand）則與一系列蛋白質組成一個大複合物，稱為 RNA 誘導的沉默複合物 (RNA-induced silencing complex, RISC)。
   • RISC 中的核心蛋白質是 Argonaute (Ago) 蛋白，它負責結合導引鏈 RNA，並具有 RNase 活性（在某些情況下）。

3. 目標 mRNA 的識別與降解/抑制：

   • 活化的 RISC 複合物利用其結合的導引鏈 RNA 作為探針，尋找與之序列互補的目標 mRNA 分子。
   • siRNA 介導的 RNAi： 當 siRNA 的導引鏈與目標 mRNA 完全或高度互補時，RISC 複合物中的 Argonaute 蛋白（如 Ago2）會直接切割目標 mRNA，導致其快速降解。
   • miRNA 介導的 RNAi： miRNA 的導引鏈與目標 mRNA 的互補性通常不完全，主要結合在 mRNA 的 3' 非轉譯區 (3'-UTR)。這種結合會阻礙核糖體與 mRNA 的結合，抑制轉譯，或導致 mRNA 被招募至 P-bodies（一種 RNA 降解的細胞器）。

RNAi 在昆蟲學領域的應用：

RNAi 技術在昆蟲學研究和害蟲防治方面具有巨大的潛力，主要應用包括：

本題主要探討氣候變遷（全球暖化）對蚊媒昆蟲的生態學行為以及其傳播疾病的影響。

氣候變遷對蚊媒昆蟲的影響：

氣候變遷主要通過改變溫度、降雨模式、濕度等環境因素，直接或間接影響蚊媒昆蟲的生理、發育、地理分佈和族群動態。

1. 溫度升高：

   • 加速發育速率： 溫度是影響昆蟲發育速率的關鍵因素。溫度升高會加速蚊子的卵、幼蟲（孑孓）和成蟲的發育過程，縮短世代週期，增加繁殖頻率。
   • 增加成蟲壽命： 在適宜範圍內，較高的溫度可能延長成蟲的壽命，使其有更多時間傳播病原體。
   • 改變地理分佈範圍： 原本受限於低溫的地區，隨著溫度升高，可能變得適合蚊子生存和繁殖，導致其地理分佈範圍向高緯度或高海拔地區擴展。
   • 影響性別比例： 在某些物種中，溫度可能影響幼蟲發育中的性別決定。
   • 影響病原體在蚊體內的發育： 溫度升高能顯著加速蚊子體內病原體（如病毒、寄生蟲）的發育和複製速率（稱為 Extrinsic Incubation Period, EIP），使蚊子更快地獲得傳染性。

2. 降雨模式改變（降雨增多或乾旱）：

   • 繁殖地變化： 蚊子的繁殖嚴重依賴於水源。
     • 降雨增多： 可能導致地表積水增加，為蚊子提供更多的繁殖場所（如容器、窪地、水溝）。然而，過度的降雨和洪水也可能沖走蚊卵和幼蟲，對某些種類不利。
     • 乾旱： 乾旱時期，人們儲存水可能形成新的、更穩定的繁殖地（如水桶、水缸）。同時，一些能夠在乾旱條件下存活的蚊卵（如埃及斑蚊）也能在積水恢復時孵化。
   • 濕度影響： 濕度影響成蚊的存活率，高濕度通常有利於成蚊存活。

3. 極端天氣事件：

   • 洪水、乾旱、熱浪等極端天氣事件可能導致蚊子族群數量的劇烈波動，並改變其棲息地。例如，洪水可能清除某些種類的繁殖地，但也可能創造新的繁殖機會。

氣候變遷對蚊媒疾病傳播的影響：

氣候變遷通過影響蚊媒昆蟲的生態學，進而顯著改變蚊媒疾病的傳播動態和地理分佈。

本題考查對昆蟲生長調節劑 (Insect Growth Regulators, IGRs) 的理解，包括其優缺點、分類及具體應用。

昆蟲生長調節劑 (IGRs) 之優缺點：

• 優點：

  1. 高度選擇性 (High selectivity)： IGRs 通常作用於昆蟲特有的生長發育過程（如幾丁質合成、蛻皮、胚胎發育等），對非目標生物（包括人類、哺乳動物、鳥類、魚類、甚至非目標節肢動物）的毒性相對較低。這使得它們成為環境友善型殺蟲劑的理想選擇。
  2. 作用機制獨特 (Unique mode of action)： 與傳統的觸殺型殺蟲劑（如有機磷、擬除蟲菊酯）作用於神經系統不同，IGRs 作用於昆蟲的生長發育過程，不易引起交叉抗性。
  3. 對害蟲的長效控制： 由於作用於生長發育，即使蟲態轉換不完全，蟲體也可能畸形、無法繁殖或死亡，因此具有較好的長效性。
  4. 對成蟲效果較差，對幼蟲和若蟲效果顯著： 這在某些情況下是優點，因為可以保留天敵（如寄生蜂，其成蟲可能對 IGRs 不敏感，而幼蟲期可能受影響）。

• 缺點：

  1. 作用速度較慢 (Slow-acting)： IGRs 並非直接殺死昆蟲，而是干擾其生長發育。昆蟲可能在死亡前經歷一段時間的延遲，這對於需要快速壓制族群的緊急情況可能不適用。
  2. 對成蟲效果有限 (Limited effect on adults)： 大多數 IGRs 對成蟲的殺滅效果不佳，因為成蟲的生長發育（如蛻皮）已基本完成。
  3. 可能產生抗性： 雖然不易產生交叉抗性，但長期、廣泛使用單一類型的 IGRs，仍可能導致害蟲產生對該類 IGRs 的抗性。
  4. 生產成本： 某些 IGRs 的合成過程可能較為複雜，生產成本相對較高。
  5. 對某些害蟲無效： 對於生長發育機制與 IGRs 目標不同的害蟲，效果可能不佳。

昆蟲生長調節劑的主要類別：

IGRs 主要可以根據其作用機制和化學結構分為幾大類：

1. 幾丁質合成抑制劑 (Chitin synthesis inhibitors)：
   • 作用機制： 干擾幾丁質（構成昆蟲外骨骼和前腸、後腸內壁的重要成分）的生物合成。導致昆蟲在蛻皮時無法形成完整、堅韌的新表皮，新表皮脆弱易破，或無法完成蛻皮過程而死亡。
   • 例子：
     • 二苯甲醯脲類 (Benzoylureas)： 如 氟芬隆 (Flufenoxuron)、得滅克 (Diflubenzuron)、氯氟隆 (Chlorfluazuron) 等。這些是目前應用最廣泛的幾丁質合成抑制劑。

本題考查害蟲產生抗藥性的機制，是一個較為深入且分數較高的題目，需要對抗性機制的幾個主要方面進行詳細闡述。

害蟲產生抗藥性（或稱抗殺蟲劑性，insecticide resistance）是一個複雜的演化過程，是害蟲在殺蟲劑壓力下，通過自然選擇，使具有抗性基因的個體得以生存和繁殖，最終導致族群中抗性基因頻率升高，使得原來有效的殺蟲劑對該族群失去防治效果。其機制主要可以歸納為以下幾大類：

一、 殺蟲劑的滲透與吸收減少 (Reduced penetration or absorption of insecticide)：
這是指害蟲通過改變其體表結構或生理功能，來降低殺蟲劑滲入體內的量。

• 機制：

  1. 角質層加厚 (Thickening of cuticle)： 昆蟲的外骨骼（角質層）是殺蟲劑進入體內的第一道屏障。抗性個體可能具有更厚、更致密的角質層，或者其表面蠟質層的成分發生改變，增加了殺蟲劑穿透的難度。
  2. 消化道吸收效率降低 (Reduced absorption in digestive tract)： 對於經口毒的殺蟲劑，抗性害蟲可能通過改變消化道內壁的通透性或運輸機制，減少殺蟲劑的吸收。
  3. 體壁滲透性改變 (Altered integument permeability)： 某些殺蟲劑（特別是脂溶性較強的）需要通過體壁的脂質層。抗性個體可能改變其體壁脂質的組成或排列，影響殺蟲劑的滲透。

• 例子： 某些擬除蟲菊酯類殺蟲劑抗性。

二、 殺蟲劑的轉運與靶標結合減少 (Reduced translocation or binding to the target site)：
即使殺蟲劑滲入體內，抗性個體也可以通過改變其內部運輸機制或殺蟲劑與作用靶點的結合能力，來降低殺蟲劑的毒效。

• 機制：
  1. 靶標位點的改變 (Alteration of the target site)： 這是最常見和最重要的抗性機制之一。殺蟲劑的作用靶點（如離子通道、酶、受體）的結構發生改變（通常是通過基因突變），導致殺蟲劑與靶點的親和力降低，從而無法有效發揮其抑制或激活作用。
     • 例子：
       • 鈉離子通道突變： 抵抗擬除蟲菊酯類和滴滴涕 (DDT) 的抗性，主要是由於電壓門控鈉離子通道 (voltage-gated sodium channel, VGSC) 的基因發生點突變，導致殺蟲劑結合位點改變。
       • 乙醯膽鹼酯酶 (Acetylcholinesterase, AChE) 突變： 抵抗有機磷類和氨基甲酸酯類殺蟲劑的抗性，是由於 AChE 基因突變，使其對這些殺蟲劑的抑制作用減弱。
       • GABA 受體突變： 抵抗某些殺蟲劑（如費普羅尼 fipronil）的抗性，與 γ-氨基丁酸 (GABA) 受體的突變有關。
       • 乙醯膽鹼受體 (Nicotinic acetylcholine receptor, nAChR) 突變： 抵抗新煙鹼類 (neonicotinoids) 殺蟲劑的抗性。
  2. 殺蟲劑與靶標的親和力降低 (Reduced affinity of insecticide to the target)： 即使靶點本身沒有發生結構性突變，但可能通過其他蛋白質或結構的改變，影響殺蟲劑與靶點的結合效率。

三、 殺蟲劑的代謝解毒作用增強 (Enhanced metabolic detoxification of insecticide)：
這是目前發現最普遍且最重要的抗性機制。抗性個體擁有更強的解毒能力，能夠快速地將殺蟲劑轉化為無毒或低毒的代謝產物。

• 機制： 主要涉及酶系統的過度表達或改變，其中最重要的是細胞色素 P450單加氧酶 (cytochrome P450 monooxygenases, P450s)、酯酶 (esterases) 和穀胱

本題要求解釋兩個名詞對（共 8 分）。

(一)、EIL 與 ET

這兩個名詞通常出現在害蟲綜合防治 (Integrated Pest Management, IPM) 的領域，特別是關於害蟲經濟防治的決策。

• EIL (Economic Injury Level)：

  • 中文名稱： 經濟損傷水平。
  • 定義： 指的是每單位面積（或每株植物、每隻動物等）的害蟲密度，該密度所造成的損失等於防治該害蟲的成本。換句話說，當害蟲密度達到 EIL 時，防治與不防治的經濟效益是相同的。
  • 重要性： EIL 是決定是否需要採取防治措施的關鍵指標。只有當害蟲密度預計將超過 EIL 時，才需要進行防治，以避免造成經濟損失。
  • 計算： EIL 的計算通常涉及多個因素，包括：
    • 作物（或受害對象）的經濟價值。
    • 防治成本（藥劑、人工、設備等）。
    • 害蟲造成的損害程度（如每隻害蟲造成的損失）。
    • 殺蟲劑的效率。
    • 殺蟲劑的殘留限制。
    • 其他潛在的經濟考量。
    • 公式通常可以簡化為：$EIL = \frac{C}{V \cdot D \cdot I}$，其中 C 為防治成本，V 為作物單位價值，D 為每隻害蟲造成的損害，I 為損害指數（表示害蟲密度與損害的關係）。

• ET (Economic Threshold)：

  • 中文名稱： 經濟防治閾值。
  • 定義： 指的是害蟲密度達到該水平時，就應該開始採取防治措施，以防止其進一步增加到 EIL。ET 通常低於 EIL。
  • 重要性： ET 提供了一個預警和行動的時機。當害蟲密度達到 ET 時，應立即進行監測，並準備實施防治措施。這樣可以確保在害蟲密度達到 EIL 之前，防治措施能夠生效，並有效控制害蟲數量。
  • 與 EIL 的關係： ET 總是小於 EIL。ET 是採取行動的閾值，而 EIL 是達到經濟損失的臨界點。ET 的設定是為了給防治決策留有餘地，並考慮到防治措施生效所需的時間以及害蟲的繁殖潛力。

總結 EIL 與 ET： EIL 是「達到經濟損失的點」，而 ET 是「需要開始行動的點」。在害蟲綜合防治中，監測害蟲密度，當密度達到 ET 時，就採取防治措施，目標是將害蟲密度維持在 EIL 以下。

(二)、Pheromone 與 allelochemical

這兩個名詞都屬於化學信號物質 (semiochemicals)，用於物種內的或物種間的交流。

• Pheromone (費洛蒙)：
  • 中文名稱： 費洛蒙（或稱外激素、性外激素）。
  • 定義： 指由一個體釋放出來，作用於同種（同一物種）的其他個體，並引起其生理或行為反應的化學物質。
  • 功能： 費洛蒙的功能多樣，包括：

本題要求判斷 "Insect Science" 是否為 "Entomology" 的替代名稱，並簡要解釋原因。

答案： 否，"Insect Science" 並非 "Entomology" 的標準或常用替代名稱。

解釋：

• Entomology (昆蟲學)：

  • "Entomology" 是源自希臘語 "entomon"（意為「被切割的生物」，指昆蟲的身體分節特徵）和 "logia"（意為「學科」或「研究」）。
  • 它是一門專門研究昆蟲的科學學科，涵蓋了昆蟲的分類、形態學、生理學、生態學、行為學、演化、應用（如害蟲防治、傳粉、昆蟲在醫學和農業中的作用）等所有方面。
  • "Entomology" 是學術界和科學界公認的、標準的、歷史悠久的術語。

• Insect Science (昆蟲科學)：

  • "Insect Science" 是一個更為廣泛且較為口語化的描述性術語，字面意思是「關於昆蟲的科學」。
  • 雖然它涵蓋了與昆蟲學研究的內容基本相同，但它通常不被視為一個正式的學術領域名稱，尤其是在學術出版物、學術會議、大學系所名稱等方面。
  • 它可能更多地出現在大眾科普讀物、教育材料、或非學術性討論中，用來指代與昆蟲相關的各種科學知識。

本題考查 PCR 技術在昆蟲物種鑑定中的應用，以及 PCR 產物後續用於精確鑑定的技術。

PCR 技術在昆蟲物種鑑定中的應用：

PCR (Polymerase Chain Reaction) 是一種體外擴增特定 DNA 片段的技術。在昆蟲物種鑑定中，PCR 的應用基於以下原理：

1. 選擇性引物 (Selective primers)： 設計針對物種特異性 DNA 序列（通常是線粒體基因，如 COI, CytB，或核基因，如 rRNA 基因）的引物。這些引物能夠在 PCR 過程中優先結合並擴增目標物種的 DNA。
2. DNA 擴增： 通過 PCR 循環（變性、退火、延伸），將少量樣本中的目標 DNA 片段大量擴增，產生足夠數量的 DNA 產物，便於後續分析。
3. 分子標記： 擴增出的 DNA 片段的長度或其限制性內切酶酶切圖譜（RFLP）可以作為物種鑑定的分子標記。

PCR 擴增後用於獲得確定答案的技術：

PCR 擴增後，為了獲得確定、精確的物種鑑定結果，最常用且最有效的方法是：

• 技術名稱： DNA Sequencing (or Sanger Sequencing, Next-Generation Sequencing, NGS for higher throughput)

• 英文名稱： DNA Sequencing

本題要求寫出「卵巢」的英文名稱，並解釋其與「卵子發生」(oogenesis) 的關係。

• 「卵巢」的英文名稱：
  Ovary

• 「卵巢」與 "oogenesis" 的關係：
  Oogenesis (卵子發生) 是指卵巢 (Ovary) 內卵原細胞 (oogonia) 經過細胞分裂和減數分裂，最終發育成成熟卵細胞 (ovum) 的一個複雜過程。

  具體來說：

  1. 場所 (Location)： 卵子發生的主要場所就是卵巢。卵巢中含有卵原細胞和支持細胞，為卵子發育提供了必要的微環境和營養。

本題考查早期胚胎發育中的「合胞體」(syncytium) 概念，並要求判斷其性質。

合胞體 (Syncytium) 的定義與性質：

• 定義： 合胞體 (syncytium) 是一種特殊的細胞結構，其特徵是細胞核 (nuclei) 已經發生了多次分裂，但細胞質 (cytoplasm) 並沒有隨之發生相應的胞質分裂 (cytokinesis)。因此，一個合胞體是由多個細胞核共享同一連續的細胞質而構成的。

• 胚胎發育中的表現： 在許多真核生物（包括昆蟲）的早期胚胎發育過程中，會經歷一個合胞體階段。受精卵 (fertilized egg) 經過一次或多次核分裂，產生多個核，但細胞膜和細胞質並沒有分裂形成獨立的細胞。這使得所有核都存在於一個共同的細胞質中，可以共享細胞質內的物質和信號。

• 關於「合胞體是單個細胞還是多個細胞的胚胎？」的判斷：

  • 答案： 從嚴格的細胞學定義來看，一個合胞體 (syncytium) 應該被視為一個具有多個細胞核的單個細胞。

本題考查基因 (gene) 和 DNA 的基本關係，以及 rRNA 基因的定義。

"gene" 與 "DNA" 的關係：

• DNA (Deoxyribonucleic acid, 去氧核糖核酸)： DNA 是一種長鏈的分子，由核苷酸組成，攜帶生物體的遺傳信息。它通常以雙螺旋結構存在。
• Gene (基因)： 基因是 DNA 分子上的特定片段（或有時是 RNA 分子上的片段，在某些病毒中）。它攜帶製造某種蛋白質或具有特定功能的 RNA 分子（如 rRNA, tRNA）的遺傳指令。
  • 核心概念： 基因是 DNA 上的功能單位。DNA 是承載這些功能單位的物質載體。
  • 比喻： 如果把 DNA 比作一本百科全書，那麼基因就是書中的每一個詞條（article）或句子，它包含著特定的信息。

總結關係： 基因是 DNA 的一部分，是 DNA 上具有遺傳功能的特定序列。DNA 構成了染色體，而基因就位於染色體上的特定位置（基因座，locus）。

"rDNA coding for rRNA" 能否被視為一個基因？

• 答案： 是 (Yes)。