114 年 國立臺灣大學農業化學系碩士班乙組《微生物學（A）》

此題旨在測試考生對微生物基本分類的認識，特別是「非細胞型」微生物的概念。非細胞型微生物指的是不具備細胞結構，無法自行進行代謝活動，必須依賴宿主細胞才能繁殖的病原體。

選項分析：
(A) Viruses (病毒)：病毒是典型的非細胞型微生物，由遺傳物質（DNA或RNA）和蛋白質外殼組成。
(B) Archaea (古菌)：古菌是原核生物，具有細胞結構。

此題考驗考生對細胞膜運輸機制的理解，包含被動運輸與主動運輸的區別，以及主動運輸的兩種主要類型。

(1) 被動運輸 (Passive Diffusion) 與主動運輸 (Active Transport) 的差異

被動運輸和主動運輸是細胞膜將物質進出細胞的兩種主要方式，其核心差異在於是否消耗細胞能量（ATP）。

• 被動運輸 (Passive Diffusion)：

  • 定義：物質順著其濃度梯度（從高濃度區域移動到低濃度區域）通過細胞膜的運輸方式。
  • 能量需求：不需要細胞直接提供能量（ATP）。運輸的動力來自於物質本身的濃度差所產生的勢能。
  • 速率：通常較快，受濃度梯度大小、膜的通透性及物質分子大小等因素影響。
  • 範例：小分子非極性物質（如 O2, CO2）的運輸；部分小分子極性物質（如水）通過水通道蛋白（aquaporins）的促進性擴散。

• 主動運輸 (Active Transport)：

  • 定義：物質逆著其濃度梯度（從低濃度區域移動到高濃度區域）或順著濃度梯度但需要載體蛋白協助的運輸方式。
  • 能量需求：需要細胞消耗能量（ATP）來驅動，能量形式可以是直接的ATP水解，或是利用其他離子的電化學梯度。
  • 速率：通常較慢，受限於載體蛋白的數量和活性，可能達到飽和。
  • 範例：鈉鉀幫浦（Na+/K+-ATPase）將 Na+ 泵出細胞、K+ 泵入細胞；質子泵（proton pump）將 H+ 泵出細胞。

主要差異總結：

特徵	被動運輸 (Passive Diffusion)	主動運輸 (Active Transport)
濃度梯度	順濃度梯度	逆濃度梯度或順梯度但需載體
能量需求	不需要 (ATP)	需要 (ATP)
運輸動力	濃度差的勢能	ATP水解或離子梯度
載體蛋白	有時需要 (促進性擴散)	總是需要
飽和現象	促進性擴散可能飽和	總是會飽和

此題考驗對細菌內生孢子 (bacterial endospores) 特性的了解，以及這些特性對食品工業可能造成的影響。

細菌內生孢子的特性與食品工業的關聯：

細菌內生孢子是某些革蘭氏陽性桿菌（如 Bacillus 和 Clostridium 屬）在不利環境條件下（如營養缺乏、高溫、乾燥、化學物質等）形成的休眠結構。它們之所以對食品工業造成特別的關注，主要源於其極高的抗性：

1. 對熱的極高抗性 (High Heat Resistance)：
   • 內生孢子具有堅硬的細胞壁結構，尤其是外層的厚皮層 (cortex) 和皮層 (outer coat)，其中富含肽聚醣 (peptidoglycan) 和蛋白質。
   • 內部水分含量極低，細胞代謝幾乎停止。
   • 這些結構和狀態使得內生孢子能夠耐受遠高於一般細菌細胞的溫度，例如，許多內生孢子在100°C下可存活數分鐘至數小時，有些甚至能耐受121°C（高壓滅菌的標準溫度）的處理。
   • 對食品工業的影響：食品的殺菌過程（如巴氏殺菌、罐裝滅菌）旨在殺滅或抑制微生物，但若食品中存在耐熱的內生孢子，即使經過標準的殺菌處理，孢子仍可能存活。

此題考驗考生對粒線體 (mitochondrion) 在有氧與無氧環境下功能的理解。然而，嚴格來說，生物學上並沒有「無氧粒線體 (anaerobic mitochondrion)」這個術語，因為粒線體的主要功能——氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 產生 ATP——是依賴氧氣作為最終電子接受者的。此題的提問方式可能是在測試考生是否能辨識此概念的誤謬，或是在探討粒線體在無氧條件下的其他潛在功能或在演化上的前身。

「有氧粒線體 (Aerobic Mitochondrion)」的定義與功能：

「有氧粒線體」指的是在有氧環境下，細胞內進行有氧呼吸作用的粒線體。這是粒線體最為人熟知的功能，也是真核細胞產生大量 ATP 的主要場所。

• 核心功能：進行檸檬酸循環 (citric acid cycle) 和氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)。
• 電子傳遞鏈 (Electron Transport Chain, ETC)：位於粒線體內膜，利用來自 NADH 和 FADH2 的電子，逐步將電子傳遞給一系列蛋白質複合物。
• 最終電子接受者：氧氣 (O2)。氧氣接受電子並與質子結合形成水 (H2O)。
• 能量產生：電子傳遞過程中釋放的能量被用來將質子 (H+) 泵入粒線體膜間隙，建立質子梯度。此梯度驅動 ATP 合成酶 (ATP synthase) 產生大量的 ATP (約 30-32 分子 ATP / 分子葡萄糖)。
• 其他功能：參與細胞凋亡、鈣離子穩態、產生熱量等。

關於「無氧粒線體 (Anaerobic Mitochondrion)」的探討：

嚴格來說，粒線體在其典型的功能（氧化磷酸化）上是需要氧氣的。因此，在無氧環境下，粒線體的氧化磷酸化作用會停止。然而，在演化學和一些特殊生物體中，可以從幾個角度來理解「無氧粒線體」的概念：

1. 演化前身與厭氧呼吸的潛在機制：
   • 粒線體起源於內共生學說，認為其前身是行好氧呼吸的細菌。
   • 一些厭氧生物（如某些原生動物）的細胞內含有類似粒線體的細胞器，但它們進行的是一種稱為「厭氧呼吸 (anaerobic respiration)」或「替代性氧化磷酸化 (alternative oxidative phosphorylation)」的過程。
   • 在這些情況下，電子傳遞鏈的最終電子接受者不是氧氣，而是其他無機物（如硫酸鹽 SO4^2-、硝酸鹽 NO3^-、硫磺 S）或有機物。
   • 這些被稱為「厭氧粒線體 (anaerobic mitochondria)」或「還原酶體 (redoxosomes)」的細胞器，雖然不像典型粒線體那樣產生大量 ATP，但仍能利用電子傳遞鏈進行能量轉換。

此題考驗考生對致癌病毒 (oncoviruses) 致癌機制的理解。致癌病毒是可以引起癌症的病毒，它們通過多種機制干擾細胞的正常生長和調控，導致細胞無限增殖。

致癌病毒致癌的三種潛在機制：

致癌病毒主要可以通過兩種廣泛的機制來誘導細胞癌變：
A. 插入突變 (Insertional Mutagenesis)：病毒基因組插入宿主細胞的 DNA 中，恰好插入到重要的細胞週期調控基因（如原癌基因 oncogene 或抑癌基因 tumor suppressor gene）附近，從而破壞這些基因的功能或過度活化它們。
B. 編碼致癌蛋白 (Expression of Oncogenic Proteins)：病毒攜帶的基因可以編碼出可以促進細胞生長、抑制細胞凋亡或干擾細胞週期調控的蛋白質。

以下是三個具體機制：

1. 病毒編碼的蛋白干擾細胞週期調控蛋白（特別是抑癌蛋白）：

   • 機制：許多致癌病毒會表達特異性的病毒蛋白，這些病毒蛋白能夠與宿主細胞中重要的腫瘤抑制蛋白（如 p53 或 Rb 蛋白）結合，並使其失去功能。
   • 舉例：
     • 人類乳突病毒 (Human Papillomavirus, HPV)：其 E6 蛋白可以誘導 p53 蛋白降解，E7 蛋白可以結合並抑制 Rb 蛋白，從而解除細胞週期停滯的檢查點，促進細胞不受控制地分裂。
     • EB 病毒 (Epstein-Barr Virus, EBV)：其編碼的 EBNA-1 蛋白可以抑制 p53 的功能。
     • SV40 病毒：其 T 抗原 (T-antigen) 可以結合並抑制 p53 和 Rb 蛋白。
   • 結果：失去功能的 p53 和 Rb 蛋白無法有效阻止細胞分裂或誘導細胞凋亡，細胞更容易累積 DNA 損傷，並進入惡性增殖。

2. 病毒基因組插入宿主基因組，引起插入突變 (Insertional Mutagenesis)：

   • 機制：某些病毒（特別是逆轉錄病毒 Retroviruses，如人類免疫缺乏病毒 HIV 的近親，或某些致癌的逆轉錄病毒）的基因組在整合到宿主細胞染色體時，可能插入到原癌基因 (proto-oncogene) 的啟動子 (promoter) 或增強子 (enhancer) 區域。
   • 舉例：

此題考驗考生對類病毒 (Viroids) 的基本認識，包括其結構特性（僅含 RNA）以及在宿主細胞內的複製機制。

類病毒 (Viroids) 簡介：
類病毒是最小的植物病原體，它們僅由一條單鏈的環狀 RNA 分子組成，沒有蛋白質外殼。其 RNA 分子通常具有高度的二級結構，形成複雜的莖環 (stem-loop) 結構。

(1) 類病毒如何穩定 RNA？

類病毒 RNA 分子高度穩定性的來源主要在於其獨特的二級結構：

• 高度的序列互補性 (High Degree of Sequence Complementarity)：類病毒 RNA 分子內部存在大量的鹼基配對，形成複雜且穩定的二級結構，最典型的是由多個莖環 (stem-loop) 結構組成。
• 環狀結構 (Circular Structure)：大多數類病毒的 RNA 是環狀的，這使得它們不易被宿主細胞的核酸酶（RNases）降解。線性 RNA 分子通常在 5' 和 3' 端有自由的末端，容易成為核酸酶的攻擊目標。
• 富含 G-C 鹼基對 (Rich in G-C Base Pairs)：雖然這不是絕對的，但一些類病毒 RNA 序列中富含 G-C 鹼基對。G-C 鹼基對之間有三個氫鍵，比 A-T (或 A-U) 的兩個氫鍵更穩定，因此能增加 RNA 分子的熱穩定性。
• 緊密堆積 (Compact Structure)：這些莖環結構使得 RNA 分子形成一個緊密、堅固的結構，保護了 RNA 分子免受外界環境和宿主酶的破壞。

總結： 類病毒 RNA 的穩定性主要歸因於其環狀結構和高度的二級結構（莖環），這些結構能有效保護 RNA 免受核酸酶的降解。

(2) 類病毒如何在宿主細胞內複製？

類病毒沒有編碼任何蛋白質，因此它們的複製完全依賴宿主細胞的酶和機制。類病毒的複製過程非常獨特，被稱為「複製酶 असं (rolling circle replication) 」的變體，但更準確地說是「自催化切割 (autocatalytic cleavage)」和「聚合酶 II (RNA polymerase II)」介導

此題考驗考生對嗜鹽菌 (halophilic bacteria) 如何在高鹽環境下生存的適應性機制。高鹽環境對大多數生物體來說是極具挑戰性的，因為高濃度的溶質會導致細胞脫水（滲透壓失衡）和離子毒性。嗜鹽菌發展出多種策略來應對這些挑戰。

嗜鹽菌在高鹽環境下的三種適應性機制：

1. 累積細胞內的小分子溶質 (Accumulation of Compatible Solutes / Osmolytes)：

   • 機制：這是最常見且最重要的適應機制之一。嗜鹽菌會在細胞內積累大量的非離子性或離子性小分子物質，這些物質被稱為「相容溶質」(compatible solutes) 或「滲透壓調節物」(osmolytes)。這些小分子在細胞內高濃度時，不會干擾細胞內部的生化反應（如酶活性、蛋白質結構），因此被稱為「相容」的。
   • 常見的相容溶質：
     • 有機溶質：甘油 (glycerol)、甜菜鹼 (betaine)、甘氨酸甜菜鹼 (glycine betaine)、脯氨酸 (proline)、海藻糖 (trehalose)、肌醇 (inositol) 等。
     • 無機離子：一些嗜鹽菌（特別是極端嗜鹽菌）會累積大量的鉀離子 (K+) 和氯離子 (Cl-)。
   • 作用：細胞內積累的相容溶質提高了細胞內的滲透壓，使其與細胞外高鹽環境的滲透壓達到平衡，從而防止細胞因滲透作用而失水。同時，這些小分子還可以穩定細胞內的大分子（如蛋白質和核酸），保護它們免受高鹽環境的破壞。

2. 細胞壁和細胞膜的結構改變 (Structural Adaptations of Cell Wall and Membrane)：

   • 機制：嗜鹽菌的細胞壁和細胞膜具有特殊的結構和組成，以適應高鹽環境。
   • 細胞膜：
     • 增加酸性磷脂比例：許多嗜鹽菌（特別是中度嗜鹽菌）的細胞膜含有較高比例的帶負電的酸性磷脂（如磷脂醯甘油 phosphatidylglycerol, PG）。

核心觀念

生物膜（biofilm）是微生物附著於表面或彼此聚集，並包埋在自行分泌的胞外聚合物基質（extracellular polymeric substances, EPS）中的群落。生物膜對抗生素的耐受性通常高於游離細胞，原因不只一項，也不代表細菌必然產生了遺傳性的抗藥性；基質屏障、群落內部環境與細胞生理狀態都會降低抗生素的殺菌效果。

解題方法

題目要求至少列出三項理由，可從「藥物進不去、進去後效果受限、細胞本身較難被殺死」三個角度作答：

1. EPS 基質限制抗生素作用
   EPS 由多醣、蛋白質、胞外 DNA 等成分構成，可減慢部分抗生素在生物膜中的擴散；某些基質成分也會吸附或結合特定藥物，使藥物抵達深層細胞的濃度或速度下降。此屏障對不同抗生素的影響並不相同，不能寫成所有抗生素都完全無法穿透生物膜。

2. 生物膜內形成藥物不易發揮作用的局部環境
   氧氣與營養物質由外向內遞減，深層細胞常處於低氧、低養分或酸鹼值改變的環境。這些條件會降低細胞代謝與生長速率；許多抗生素對快速生長或活躍代謝的細胞效果較強，因此在深層細胞上的殺菌作用下降。局部環境也可能改變藥物穩定性或細胞對藥物的反應。

核心觀念

細菌核糖體由 30S 小次單位與 50S 大次單位組成，合稱 70S 核糖體。蛋白質合成時，核糖體沿著 mRNA 移動，tRNA 依序帶入胺基酸；大次單位催化胺基酸之間形成胜肽鍵。抗生素若干擾這些步驟，就會抑制細菌蛋白質合成與細胞生長。

解題方法

題目要求舉出兩種抑制蛋白質合成的抗生素，並說明作用機制。作答時可分別挑選作用於不同核糖體次單位、干擾不同翻譯步驟的抗生素，清楚指出其結合位置與受阻的反應。

作用機制

1. 四環黴素（tetracycline）：結合細菌核糖體的 30S 小次單位，阻止帶有胺基酸的 tRNA 進入核糖體的 A 位點。胺基酸無法加入正在延長的多肽鏈，因此蛋白質延長受阻。

核心觀念

本題考查微生物如何把無機碳（$CO_2$）轉成有機物，也就是自營性固碳途徑。列出兩種並說明其固碳反應、關鍵酵素與代謝特色即可。常見整理列出的六種途徑為：卡爾文－班森－巴沙姆循環（CBB）、還原型三羧酸循環（rTCA）、還原型乙醯輔酶 A 途徑（Wood–Ljungdahl pathway）、3-羥基丙酸雙循環、3-羥基丙酸／4-羥基丁酸循環，以及二羧酸／4-羥基丁酸循環。六種固碳途徑綜述

解題方法

題目只要求列舉兩種，因此可選反應核心清楚、代表酵素容易辨認的 CBB 循環與 rTCA 循環。作答時分別交代：$CO_2$ 如何進入代謝中間物、循環如何再生受體分子，以及此途徑的主要能量或氧氣特性。

一、卡爾文－班森－巴沙姆循環（CBB cycle）

CBB 循環又稱還原型磷酸戊糖途徑，是植物、藻類、藍綠菌及多種自營細菌常用的固碳途徑。其關鍵固碳酵素是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶／加氧酶（RuBisCO）。

RuBisCO 將 $CO_2$ 加到五碳受體核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）上，形成不穩定的六碳中間物，隨即裂解成兩分子三碳的 3-磷酸甘油酸（3-PGA）：

$$\mathrm{RuBP\ (C_5)+CO_2\longrightarrow 2\,3\text{-}PGA\ (C_3)}$$

3-PGA 接著利用 ATP 與 NADPH 還原為甘油醛-3-磷酸（GAP）；部分 GAP 可離開循環，用於合成醣類與其他細胞物質，其餘則經一連串碳骨架重排再生 RuBP。另一關鍵酵素磷酸核酮糖激酶（PRK）利用 ATP 參與 RuBP 再生。

此題考驗考生對具有特殊適應能力的細菌的認識，包括它們的生存環境以及相應的「超能力」。這需要考生對這些特定細菌的生態位和生理特徵有深入了解。

各細菌的獨特環境與適應能力：

(1) Thermus aquaticus

• 獨特環境：廣泛存在於高溫環境，特別是溫泉 (hot springs)、地熱池 (geothermal vents) 和熱水系統 (hot water systems)。它們通常生長在 50-80°C 的溫度範圍內，最優生長溫度約為 70°C。
• 超能力：極端耐熱性 (Extreme Thermostability)。
  • 機制：T. aquaticus 的細胞內大分子，特別是蛋白質和核酸，具有高度的熱穩定性。這歸因於其蛋白質結構中富含疏水性胺基酸，形成更緊密的結構，以及細胞膜組成上的特殊性，使其在極高溫度下仍能維持細胞結構和代謝活性。
  • 重要性：T. aquaticus 的 DNA 聚合酶（Taq 聚合酶）是分子生物學中 PCR (Polymerase Chain Reaction) 技術的關鍵組分，因為它能在高溫下保持活性，進行 DNA 的體外複製。

(2) Deinococcus radiodurans

• 獨特環境：雖然它最初從罐裝肉中分離出來，但其真正的「超能力」使其能在極端惡劣的環境中生存，包括高劑量的電離輻射 (ionizing radiation, 如 γ射線、X射線)、極端乾燥 (desiccation)、真空、超低溫以及酸性環境。它被認為是地球上對輻射最耐受的生物之一。
• 超能力：極端的 DNA 修復能力 (Extraordinary DNA Repair Capability)。
  • 機制：D. radiodurans 擁有極為高效和複雜的 DNA 修復系統。當其 DNA 受到高強度輻射損傷，導致 DNA 雙鏈斷裂 (double-strand breaks, DSBs) 時，它能迅速且準確地修復這些斷裂。其基因組有多個拷貝，並且具有特殊的重組修復機制（如 RecBCD pathway 的變體和 RecA 蛋白的高活性），能夠利用同源序列作為模板，將斷裂的 DNA 片段準確地重新連接起來，而不會丟失遺傳信息。
  • 重要性：這種能力使其能在輻射環境（如核廢料場）或太空等極端條件下生存。

(3) Ideonella sakaiensis

• 獨特環境：發現於一個含有聚對苯二甲酸乙二醇酯 (polyethylene terephthalate, PET) 塑料廢料的回收廠。
• 超能力：降解 PET 塑料的能力 (Ability to Degrade PET Plastic)。
  • 機制：I. sakaiensis 能夠利用 PET 塑料作為唯一的碳源和能源。它分泌兩種關鍵酶：PETase (PET 水解酶) 和 MHETase (單(2-羥乙基)對苯二甲酸水解酶)。PETase 能夠將 PET 塑料分解成單體（如對苯二甲酸 TPA 和乙二醇 EG，或其衍生物）。隨後，MHETase 能夠進一步水解這些單體，將它們轉化為可供細菌代謝的更小分子（如對苯二甲酸和乙二醇），最終進入細胞內的代謝途徑被利用。
  • 重要性：這項發現為生物降解塑料污染提供了新的途徑和希望。

此題要求考生比較並區分六對微生物學或免疫學中的重要術語。這需要考生對每個術語的定義、特性和區別有清晰的理解。

各術語對的區別：

(1) Virulent phage (毒性噬菌體) and Temperate phage (溫和噬菌體)

• 定義：兩者都是感染細菌的病毒（噬菌體）。
• 主要區別：
  • 毒性噬菌體 (Virulent Phage)：
    • 生命週期：只進行裂解週期 (lytic cycle)。一旦感染細菌，它們會迅速複製自身，最終裂解 (lyse) 細菌細胞，釋放出大量新的噬菌體。
    • 結果：總是導致宿主細胞死亡。
  • 溫和噬菌體 (Temperate Phage)：
    • 生命週期：可以選擇性地進行裂解週期，也可以進入溶原週期 (lysogenic cycle)。
    • 溶原週期：在溶原週期中，溫和噬菌體的基因組會整合到細菌的染色體上，成為一個稱為「前噬菌體」(prophage) 的狀態。此時，噬菌體基因組與細菌基因組一起複製，通常不會引起細菌細胞死亡。在特定條件下（如細菌 DNA 損傷），前噬菌體可以重新活化，進入裂解週期。
    • 結果：既可以裂解細菌，也可以與細菌共存。溶原菌株可能獲得新的特性（如抗生素抗性、毒力因子），這稱為「溶原性轉換」(lysogenic conversion)。

(2) Coenocytic hypha (共袍菌絲) and Septate hypha (隔膜菌絲)

• 定義：兩者都是真菌菌絲 (fungal hyphae) 的結構類型。菌絲是真菌的絲狀結構。
• 主要區別：
  • 共袍菌絲 (Coenocytic Hypha)：
    • 結構：菌絲內部沒有明顯的細胞隔膜 (septa)。整個菌絲的細胞質和多個細胞核 (nuclei) 共享一個連續的細胞質空間。可能存在一些小的穿孔隔膜 (perforated septa)，但不足以完全分隔細胞。
    • 例子：常見於較原始的真菌，如接合菌門 (Zygomycota) 的成員（如根霉 Rhizopus）。
  • 隔膜菌絲 (Septate Hypha)：
    • 結構：菌絲被一系列細胞隔膜 (septa) 分隔成多個細胞狀的單元。每個單元通常含有一到兩個細胞核。隔膜上通常有穿孔 (pores)，允許細胞質和較小的細胞器在單元之間流動。
    • 例子：常見於較高等的真菌，如子囊菌門 (Ascomycota) 和擔子菌門 (Basidiomycota) 的成員。

(3) Antigen (抗原) and Hapten (半抗原)

• 定義：兩者都是能夠與免疫系統（特別是抗體或 T 細胞受體）相互作用的分子。
• 主要區別：
  • 抗原 (Antigen)：
    • 特性：是指能夠刺激機體產生免疫應答（如產生抗體或致敏 T 細胞），並且能夠與這些免疫產物（抗體、TCR）特異性結合的分子。
    • 免疫原性 (Immunogenicity)：通常是較大的分子（如蛋白質、多醣），具有免疫原性，能夠引發免疫反應。
  • 半抗原 (Hapten)：
    • 特性：是指本身分子量較小，單獨存在時不能刺激機體產生免疫應答（缺乏免疫原性），但能夠與由免疫應答產生的特異性抗體或 T 細胞結合。
    • 結合方式：半抗原必須與一個大的載體分子（如蛋白質）結合，形成一個「半抗原-載體複合物」(hapten-carrier conjugate)，才能引發免疫反應。載體分子提供了免疫原性，而半抗原則決定了免疫應答的特異性。
    • 例子：青黴素、盤尼西林等小分子藥物，在與人體蛋白質結合後，可能成為半抗原，引發藥物過敏反應。

(4) Precipitation and Agglutination in immune complex formation (沉澱反應與凝集反應)

• 定義：兩者都是基於抗原-抗體結合的體外免疫診斷技術，用於檢測抗原或抗體。它們的區別在於抗原的形態。
• 主要區別：
  • 沉澱反應 (Precipitation)：
    • 抗原形態：可溶性抗原 (soluble antigen)。
    • 過程：當可溶性抗原與其對應的特異性抗體（通常是 IgG 或 IgM）在適當比例下結合時，會形成不溶性的、肉眼可見的抗原-抗體複合物（沉澱物）。
    • 檢測：通常在凝膠（如瓊脂凝膠）中進行，觀察沉澱線的形成（如 Ouchterlony 測試），或在液體中觀察沉澱的形成。
  • 凝集反應 (Agglutination)：
    • 抗原形態：不溶性抗原 (insoluble antigen)，通常是顆粒狀的，如細菌、紅血球、乳膠顆粒等，這些顆粒表面吸附有抗原。

核心觀念

本題考查原生生物各類群的代表性特徵，主要依據：

1. 鞭毛與粒線體構造：Stramenopila 的異鞭毛與管狀嵴。
2. 色素與光合作用：Euglena 含葉綠素 $a$、$b$。
3. 碳酸鈣沉澱：Coccolithales 可形成碳酸鈣鱗片，參與海洋碳循環。
4. 特殊運動方式：Picozoa 具「jump-drag-skedaddle」特殊運動。
5. 黏菌生活史：Dictyostelia 可形成假原生質團。
6. 厭氧代謝胞器：Giardia 與氫體類胞器相關。

---

解題方法

採用「代表性特徵配對法」：

• 先找構造或代謝特徵最明確的類群，例如 Stramenopila、Euglena。
• 再利用生活史特徵辨認 Dictyostelia。
• 最後將特殊運動與疾病等資訊配對。
• 未被使用的選項即為干擾選項，並檢查其實際所屬類群。

---

各類群配對解析

(1) Stramenopila → (F)

Stramenopila 又稱 heterokonts，典型特徵包括：

• 具有兩條形態不同的鞭毛，稱為異鞭毛；
• 一條鞭毛常具有細小管狀的茸毛；
• 粒線體嵴多呈管狀 cristae。

因此：

(F) contains tubular cristae in their mitochondria and possession of heterokont flagella

是 Stramenopila 的代表性特徵。

---

(2) Euglena → (H)

Euglena 屬於 Euglenozoa，許多種類含有葉綠體，可進行光合作用。其主要光合色素為：

• 葉綠素 $a$
• 葉綠素 $b$

因此：

(H) uses chlorophyll a and b for photosynthesis

符合 Euglena。

Euglena 同時具有鞭毛、眼點與可變形的細胞表膜，但本題最直接的辨識特徵是葉綠素 $a$、$b$。

---

(3) Coccolithales → (D)

Coccolithales 包括許多具鈣板的海洋藻類，典型代表為球石藻。細胞表面可形成由碳酸鈣構成的 coccolith。

其作用包括：

• 沉澱海水中的 $CaCO_3$；
• 影響海洋中無機碳與有機碳的分布；
• 參與長期海洋碳循環及全球碳收支。

因此：

(D) can precipitate CaCO3 and influence Earth’s carbon budget

是 Coccolithales 的特徵。

---

(4) Picozoa → (A)

Picozoa 是體型極小的海洋原生生物類群，具有特殊的細胞運動與攝食行為。其運動被形容為：

jump-drag-skedaddle

這種運動名稱描述細胞在海水中的跳躍、拖行與快速移動模式，是 Picozoa 的特殊辨識特徵。

因此：

(A) demonstrate unusual motility termed "jump-drag-skedaddle"

配對 Picozoa。

Picozoa 不應與一般光合浮游植物混為一談；目前認為其主要為異營性生物，並非海洋有機碳的主要生產者。

---

(5) Dictyostelia → (B)

Dictyostelia 為細胞性黏菌。其生活史具有明顯的聚集現象：

1. 單細胞變形蟲分散生活；
2. 缺乏食物時，許多細胞聚集；
3. 聚集形成多細胞的假原生質團；
4. 最後分化形成柄細胞與孢子細胞。

這種結構稱為 pseudoplasmodium，細胞彼此聚集但仍保有個別細胞界線。

因此：

(B) form pseudoplasmodium

是 Dictyostelia 的特徵。

---

(6) Giardia → (G)

依本題命題意旨，Giardia 配對：

(G) possesses hydrogenosome for ATP synthesis

Giardia 是厭氧或偏厭氧的寄生性原生生物，能量代謝主要依賴細胞質中的糖解作用，並具有粒線體退化而成的特殊胞器。

不過，嚴格而言 Giardia 所具有的是mitosome（線粒體體），而非典型可進行 ATP 合成的 hydrogenosome。典型 hydrogenosome 常見於 Trichomonas 等厭氧原生生物。

此題考驗考生對宿主（哺乳動物）和其正常菌群產生的幾種抗菌化學物質的機制理解。這些物質是宿主抵抗微生物入侵的第一道防線。

抗菌化學物質的機制：

(1) Lysozyme (溶菌酶)

• 來源：由宿主細胞（如巨噬細胞、中性粒細胞）分泌，存在於眼淚、唾液、鼻腔黏液、乳汁以及某些細胞器（如溶酶體）中。
• 作用對象：主要作用於革蘭氏陽性菌 (Gram-positive bacteria) 的細胞壁。
• 機制：溶菌酶是一種酶，它能夠水解細菌細胞壁肽聚醣 (peptidoglycan) 中的 β-(1→4) 醣苷鍵，特別是 N-乙醯胞壁酸 (N-acetylmuramic acid, NAM) 和 N-乙醯葡萄糖胺 (N-acetylglucosamine, NAG) 之間的鍵。
• 結果：破壞了細胞壁的結構完整性。對於革蘭氏陽性菌，細胞壁的破壞會導致細胞內高滲透壓的細胞質外洩，引起細胞膨脹和破裂（裂解）。對於革蘭氏陰性菌，由於其細胞壁較薄且外層有外膜保護，溶菌酶的作用相對較弱，但仍可能削弱其細胞壁，使其更容易受到其他殺滅因子的影響。

(2) Lactoferrin (乳鐵蛋白)

• 來源：由哺乳動物的腺體（如乳腺、唾液腺）分泌，存在於乳汁、唾液、膽汁、淚液、鼻腔黏液和中性粒細胞的細胞質中。
• 作用對象：廣譜抗菌，特別是對細菌和真菌。
• 機制：
  • 鐵離子螯合 (Iron Sequestration)：乳鐵蛋白能夠強烈結合鐵離子 (Fe3+)。鐵是許多微生物生長和代謝所必需的元素。通過將環境中的游離鐵離子螯合起來，乳鐵蛋白剝奪了微生物獲取鐵的機會，從而抑制或殺滅微生物的生長。
  • 直接殺菌作用：在某些情況下，特別是當乳鐵蛋白的鐵飽和度較低時，它還可以通過與細菌細胞膜結合，干擾細胞膜的功能，增加其通透性，導致細胞內容物外洩，從而產生直接的殺菌作用。這種作用可能與破壞細胞膜的脂質成分有關。

(3) Lactoperoxidase (乳過氧化物酶)

• 來源：由哺乳動物的腺體（如乳腺、唾液腺）分泌，存在於乳汁、唾液、淚液和蛋清中。它需要與硫氰酸鹽 (thiocyanate, SCN-) 和過氧化氫 (H2O2) 共同作用才能發揮抗菌活性。
• 機制：乳過氧化物酶系統 (Lactoperoxidase system) 是一種氧化還原系統。

此題考驗考生對 Baltimore 分類系統的理解，特別是 RNA 病毒的複製策略，以及 HIV 和 B 型肝炎病毒這兩種病毒的比較。

Baltimore 分類系統與病毒複製

Baltimore 分類系統將病毒根據其基因組類型（DNA 或 RNA，單鏈或雙鏈）和複製策略分為七類。其中，RNA 病毒的複製機制差異較大。

(1) 正鏈 RNA 病毒 (Positive-strand RNA virus) 與負鏈 RNA 病毒 (Negative-strand RNA virus) 在複製機制上的主要區別 (2 points)

• 正鏈 RNA 病毒 (Group IV)：

  • 基因組：單鏈 RNA，其序列與 mRNA 相同，可以直接作為 mRNA 在宿主細胞核糖體上翻譯，合成病毒的蛋白質，包括 RNA 聚合酶。
  • 複製機制：
    1. 病毒 RNA 進入細胞。
    2. 宿主核糖體直接翻譯病毒 RNA，合成病毒的 RNA 聚合酶（通常是 RNA 依賴性 RNA 聚合酶, RdRp）。
    3. 病毒的 RdRp 以病毒 RNA 為模板，合成負鏈 RNA 中間體。
    4. 負鏈 RNA 中間體再作為模板，合成大量的正鏈 RNA 基因組和 mRNA。
    5. 新的病毒顆粒組裝。
  • 主要特點：基因組 RNA 本身就是 mRNA，可以直接被翻譯。

• 負鏈 RNA 病毒 (Group V)：

  • 基因組：單鏈 RNA，其序列與 mRNA 互補，不能直接作為 mRNA 被翻譯。
  • 複製機制：
    1. 病毒 RNA 進入細胞。
    2. 病毒必須攜帶或在感染初期合成其自身的 RNA 依賴性 RNA 聚合酶 (RdRp)。
    3. 病毒的 RdRp 以病毒負鏈 RNA 為模板，合成互補的正鏈 RNA 中間體。
    4. 這個正鏈 RNA 中間體既可以作為 mRNA 被翻譯，產生病毒蛋白質，也可以作為模板合成新的負鏈 RNA 基因組。
    5. 新的病毒顆粒組裝。
  • 主要特點：病毒必須攜帶 RdRp，基因組 RNA 不能直接翻譯。

主要區別總結：
正鏈 RNA 病毒的基因組 RNA 可直接作為 mRNA 被翻譯，而負鏈 RNA 病毒的基因組 RNA 不能直接翻譯，病毒必須攜帶或合成自己的 RNA 聚合酶來合成互補的正鏈 RNA (mRNA)。

(2) 人類免疫缺乏病毒 (HIV, Group VI) 和 B 型肝炎病毒 (Hepatitis B virus, HBV, Group VII) 的相似性與差異 (4 points)

• Baltimore 分類：

  • HIV：屬於 Group VI - Positive-sense single-stranded RNA virus with DNA intermediate in life-cycle (Retroviruses)。HIV 的基因組是兩個相同的單鏈正鏈 RNA 分子。在感染過程中，它通過逆轉錄酶 (reverse transcriptase) 將 RNA 轉錄為 DNA，然後整合到宿主細胞的基因組中，再通過宿主細胞的 RNA 聚合酶 II 轉錄成新的病毒 RNA。
  • HBV：屬於 Group VII - Partially double-stranded DNA virus with RNA intermediate in life-cycle。HBV 的基因組是一個部分雙鏈的 DNA 分子。在感染過程中，它首先在細胞核中被修復為一個完整的雙鏈 DNA (cccDNA)，然後通過宿主細胞的 RNA 聚合酶 II 轉錄出病毒的 RNA 前體（pregenomic RNA, pgRNA）。最後，病毒自帶的逆轉錄酶 (DNA polymerase) 以 pgRNA 為模板，合成新的部分雙鏈 DNA 基因組。

• 相似性 (Similarities)：

  1. 逆轉錄機制 (Reverse Transcription)：這是最主要的相似性。兩者都利用逆轉錄酶 (reverse transcriptase) 的活性來合成 DNA。
     • HIV：將其 RNA 基因組逆轉錄為 DNA。

此題考驗考生對不同傳播途徑的病原體或疾病的認識。需要為四種主要的傳播途徑各舉一個實例。

傳播途徑與實例：

(1) Water-borne (水媒性)

• 定義：病原體通過受污染的水（飲用水、娛樂用水等）傳播給人類。
• 實例：
  • 疾病：霍亂 (Cholera)、傷寒 (Typhoid fever)、痢疾 (Dysentery)、甲型肝炎 (Hepatitis A)、輪狀病毒感染 (Rotavirus infection)。
  • 病原體：霍亂弧菌 (Vibrio cholerae)、傷寒沙門氏菌 (Salmonella Typhi)、志賀氏菌 (Shigella spp.)、甲型肝炎病毒 (Hepatitis A virus)、輪狀病毒 (Rotavirus)。
• 範例：霍亂 (Cholera) (由霍亂弧菌引起)。

(2) Vector-borne (病媒傳播性)

• 定義：病原體通過生物媒介（通常是節肢動物，如蚊子、蜱、蚤、蠅等）叮咬或接觸傳播給人類。
• 實例：
  • 疾病：瘧疾 (Malaria)、登革熱 (Dengue fever)、萊姆病 (Lyme disease)、黃熱病 (Yellow fever)、斑疹傷寒 (Typhus fever)。
  • 病原體：瘧原蟲 (Plasmodium spp.)、登革病毒 (Dengue virus)、伯氏疏螺旋體 (Borrelia burgdorferi)、黃熱病病毒 (Yellow fever virus)、立克次體 (Rickettsia spp.)。
• 範例：瘧疾 (Malaria) (由瘧原蟲引起，通過按蚊 Mosquito 傳播)。

(3) Food-borne (食媒性)

• 定義：病原體通過受污染的食物（包括生食或未煮熟的食物、受污染的飲品等）傳播給人類。
• 實例：

此題考驗考生對「全生物體 (holobiont)」概念的理解，以及研究全生物體所需的關鍵技術。

「全生物體 (Holobiont)」的概念：

「全生物體」是指一個宿主生物體及其共生微生物群落（包括細菌、真菌、病毒、古菌等）組成的複雜生態系統。這個概念強調，宿主生物體的生理、發育、健康甚至演化，都受到其內外微生物群落的深刻影響，反之亦通。宿主和其微生物群落共同構成一個功能單位，共享遺傳信息（基因組），並共同應對環境變化。

為什麼人類、動物和植物是「全生物體」？

• 人類 (Humans)：人體內外棲息著數量龐大、種類繁多的微生物群落，特別是在腸道、皮膚、口腔、呼吸道等部位。這些微生物（人體微生物組，microbiome）在消化、營養吸收、免疫系統發育和調節、抵抗病原體入侵等方面發揮著至關重要的作用。例如，腸道菌群影響營養代謝、情緒、免疫反應，甚至對某些疾病（如肥胖、炎症性腸病、糖尿病）的發生發展有影響。
• 動物 (Animals)：與人類類似，各種動物（如反芻動物的瘤胃微生物幫助消化纖維素、昆蟲的共生菌幫助消化特定食物或提供營養）都與其微生物群落形成複雜的共生關係，這些關係對於動物的生存、健康和生態適應至關重要。
• 植物 (Plants)：植物的根系（根際微生物，rhizosphere microbes）、葉片（葉際微生物，phyllosphere microbes）和內部組織（內生微生物，endophytes）也棲息著大量的微生物。這些微生物可以幫助植物吸收營養（如固氮菌、解磷菌）、促進生長、增強對抗病原體的抵抗力、提高對環境脅迫（如乾旱、鹽鹼）的耐受性，甚至影響植物的演化。

因此，這些生物體的生理功能、健康狀態和對環境的適應能力，都不能僅僅從宿主自身來理解，必須將其共生微生物群落納入考量，它們共同構成了一個功能性的「全生物體」。

研究「全生物體」的關鍵技術：

研究全生物體需要能夠同時分析宿主基因組、微生物基因組以及它們之間的相互作用。以下是關鍵技術：

1. 高通量測序技術 (High-Throughput Sequencing Technologies)：
   • 基因組學 (Genomics)：
     • 宏基因組學 (Metagenomics)：直接對環境樣品（如腸道內容物、土壤）中的所有微生物 DNA 進行測序，無需培養。這可以讓我們了解一個生態系統中所有微生物的基因組成、潛在功能，以及它們的物種多樣性。
     • 宏轉錄組學 (Metatranscriptomics)：測序樣品中的所有 RNA，了解微生物群落的活性基因表達情況，即哪些基因在活躍地工作。
     • 宏蛋白質組學 (Metaproteomics)：分析樣品中的所有蛋白質，了解微生物群落產生的功能性蛋白質。
     • 宿主基因組測序：同時對宿主生物體的基因組進行測序。
   • 16S rRNA 基因測序 (16S rRNA gene sequencing)：用於研究細菌和古菌群落組成（分類學分析），是宏基因組學的簡化版本，主要用於識別和量化微生物種類。