109 年 國立中山大學海洋生物科技暨資源學系碩士班乙組《普通生物學》

本題考查酵素的基本性質與組成。酵素是生物體內催化化學反應的蛋白質分子。

解題思路：
酵素（Enzyme）是活細胞產生的、具有生物催化活性的分子，絕大多數酵素的本質是蛋白質。少數 RNA 分子也具有催化活性，稱為核酶（ribozyme）。維生素（Vitamin）是維持人體健康必需的有機化合物，它們本身不提供能量，也不能構成人體組織，但卻是維持人體正常生理功能不可或缺的物質，許多維生素是輔酶的組成部分，但它們本身不是酵素。

本題考查植物對水分變化的生理調節機制。

解題思路：
(A) 當環境缺水時，植物會產生離層酸（abscisic acid, ABA）等激素，ABA 可以從根部傳遞到葉部，促使葉片氣孔關閉，以減少水分散失。雖然感知和訊息傳遞的細節複雜，但 ABA 從根部合成並影響葉部氣孔的機制是存在的，因此此選項有可能是正確的。
(B) 淹水（缺氧）環境對植物生理代謝有顯著影響。土壤長時間淹水會導致根部缺氧，影響根部的呼吸作用，進而影響水分和礦物質的吸收，也可能導致根部腐爛。因此，水份充足的淹水環境會引起生理代謝的改變，此選項錯誤。
(C) 在水所含的鹽份（溶質）增加時，水的滲透勢降低。

本題考查植物作為自營生物的特性。

解題思路：
(A) 植物通過光合作用利用二氧化碳（CO$_{2}$）和無機營養鹽（如硝酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、礦物質離子等）合成有機物。光合作用的產量確實會受到 CO$_{2}$ 濃度、光照強度、溫度、水分以及無機營養鹽供應等因素的限制。因此，此選項描述是正確的。
(B) 植物在光合作用的暗反應階段會產生葡萄糖（glucose）。雖然植物主要通過光合作用合成有機物，但它們也會進行呼吸作用，分解有機物（包括葡萄糖）以獲取能量。在某些情況下，植物的某些組織（如根部、種子）無法進行光合作用，但仍需要能量，這時它們會分解儲存的有機物，其中也包括葡萄糖。此外，植物在合成更複雜的有機物時，也會以葡萄糖作為起始原料。因此，說植物「完全不會利用葡萄糖的有機碳」是錯誤的。

本題考查矽藻（diatom）的棲息環境。

解題思路：
矽藻是單細胞藻類，屬於矽藻門（Bacillariophyta）。它們的細胞壁由二氧化矽（SiO$_{2}$）構成，形成獨特的矽質外殼，稱為「矽盾」（frustule）。矽藻廣泛分佈於全球各種水生環境中，包括淡水和海水，也是浮游植物的重要組成部分。

核心觀念

本題考查水域生態系中的營養階層與食物鏈。營養階層由低至高依序為：

1. 生產者：自行製造有機物。
2. 初級消費者：以生產者為食。
3. 次級消費者：捕食初級消費者。
4. 更高階消費者：捕食次級消費者。

判斷食物鏈時，應依照「誰被誰吃」排列，而不是依照生物體型或活動位置排列。

解題方法

依各生物的典型食性判斷：

• 浮游植物（a）：藉由光合作用製造有機物，屬於生產者。
• 水蚤（b）：以浮游植物等微小藻類為食，屬於初級消費者。
• 水母（c）：可捕食水蚤等浮游動物，屬於較高階的消費者。
• 海龜（d）：部分海龜會捕食水母，因此在本題食物鏈中位於水母之後。

因此營養階層排列為：

$$\text{浮游植物（a）} \rightarrow \text{水蚤（b）} \rightarrow \text{水母（c）} \rightarrow \text{海龜（d）}$$

所以順序為 $a-b-c-d$。

選項分析

本題考查化學滲透假說（Chemiosmotic Hypothesis）在 ATP 生成中的作用，特別是粒線體和葉綠體中的過程。

核心觀念：
化學滲透假說是解釋 ATP 合成機制的核心理論，由 Peter Mitchell 提出。該理論指出，細胞通過質子（H$^+$）濃度梯度跨越生物膜來驅動 ATP 的合成。

解題思路：
要回答此題，需要畫圖並解釋化學滲透理論在粒線體和葉綠體中的具體體現。

I. 化學滲透理論的普遍原則：

1. 膜的隔離性： 能量轉換發生在一個具有隔離性的膜上（如粒線體內膜、葉綠體類囊體膜）。
2. 質子幫浦（Proton Pump）： 膜上的電子傳遞鏈（ETC）利用電子轉移釋放的能量，將質子（H$^+$）從基質（粒線體）或基質（葉綠體）泵入膜間空間（粒線體）或類囊體腔（葉綠體）。
3. 質子梯度（Proton Gradient）： 質子幫浦作用在膜的兩側建立質子濃度差（高濃度在膜間空間/類囊體腔）和電位差（膜間空間/類囊體腔帶正電）。這種跨膜的質子梯度（也稱為質子驅動力，proton-motive force, PMF）儲存了勢能。
4. ATP 合成酶（ATP Synthase）： 膜上存在一種 ATP 合成酶複合物。它包含一個質子通道，允許質子順著濃度梯度（從高濃度側流向低濃度側）回流。
5. ATP 合成： 當質子通過 ATP 合成酶流動時，其勢能轉化為機械能，驅動 ATP 合成酶的旋轉，進而催化 ADP 和無機磷酸（Pi）合成 ATP。

II. 在粒線體中的應用（氧化磷酸化）：

• 發生位置： 粒線體內膜。
• 質子幫浦： 粒線體電子傳遞鏈（ETC）的複合物 I、III、IV。
• 質子來源： 從粒線體基質（matrix）泵入膜間空間（intermembrane space）。
• 質子梯度建立： 膜間空間的質子濃度升高，pH 降低，且膜間空間帶正電。
• ATP 合成酶： 位於粒線體內膜上，其 F$_{0}$ 部分嵌入內膜，F$_{1}$ 部分伸向基質。
• ATP 合成： 質子從膜間空間順濃度梯度流經 ATP 合成酶的 F$_{0}$ 部分，進入基質，驅動 F$_{1}$ 部分催化 ATP 合成。
• 圖示要點：
  • 標示粒線體內膜。
  • 顯示電子傳遞鏈（ETC）將電子從 NADH 和 FADH$_{2}$ 傳遞，並將 H$^+$ 從基質泵入膜間空間。
  • 顯示質子梯度（膜間空間 H$^+$ 濃度高，pH 低）。
  • 顯示 ATP 合成酶，以及質子從膜間空間流回基質，驅動 ATP 合成。
  • 標示基質（matrix）、膜間空間（intermembrane space）和內膜（inner membrane）。

III. 在葉綠體中的應用（光合磷酸化）：

• 發生位置： 葉綠體類囊體膜（thylakoid membrane）。
• 質子幫浦： 在光合作用的光反應階段，質子幫浦作用包括：
  • 光系統 II（PSII）釋放電子時，水在類囊體腔分解產生 H$^+$。
  • 電子傳遞鏈（從 PSII 到 PSI）將 H$^+$ 從基質（stroma）泵入類囊體腔（thylakoid lumen）。
  • 光系統 I（PSI）傳遞電子給 NADP$^+$ 还原酶，該酶位於基質一側，其作用也間接影響質子分佈。
• 質子來源： 主要來自水的光解，以及從基質泵入類囊體腔。
• 質子梯度建立： 類囊體腔的質子濃度升高，pH 降低，且類囊體腔帶正電。
• ATP 合成酶： 位於類囊體膜上，其 F$_{0}$ 部分嵌入類囊體膜，F$_{1}$ 部分伸向基質。

本題考查細胞基因表現的過程（轉錄與轉譯）及其調控機制。

核心觀念：
基因表現是指細胞根據基因的指令合成功能性產物（通常是蛋白質，有時是 RNA）的過程。這個過程大致分為兩個主要階段：轉錄（Transcription）和轉譯（Translation）。基因表現受到嚴格的調控，以確保細胞在適當的時間、地點合成適量的蛋白質。

I. 基因表現的過程：

1. 轉錄 (Transcription)：

• 定義： 以 DNA 序列為模板，合成互補的 RNA 分子（主要是信使 RNA, mRNA）的過程。

• 場所： 真核細胞發生在細胞核內；原核細胞發生在細胞質中。

• 關鍵酶： RNA 聚合酶（RNA polymerase）。

• 階段：

  • 起始 (Initiation)： RNA 聚合酶識別 DNA 上的啟動子（promoter）區域，與之結合，並解開 DNA 雙螺旋。
  • 延長 (Elongation)： RNA 聚合酶沿著 DNA 模板鏈移動，按照鹼基互補配對原則（A-U, G-C），合成一條 RNA 鏈。
  • 終止 (Termination)： 當 RNA 聚合酶遇到終止子（terminator）序列時，轉錄終止，合成的 RNA 分子釋放，RNA 聚合酶脫離 DNA。

• 真核細胞的轉錄後修飾 (Post-transcriptional Modification)：

  • 加帽 (Capping)： 在 mRNA 的 5' 端添加一個甲基化的鳥苷酸（m$^7$GTP）。
  • 加尾 (Polyadenylation)： 在 mRNA 的 3' 端添加一串腺嘌呤核苷酸（poly-A tail）。
  • 剪接 (Splicing)： 去除內含子（introns），將外顯子（exons）連接起來，形成成熟的 mRNA。

2. 轉譯 (Translation)：

• 定義： 以 mRNA 的序列為模板，合成蛋白質的過程。
• 場所： 細胞質中的核糖體（ribosome）。
• 參與分子： mRNA、核糖體、轉運 RNA（tRNA）、胺基酸、各種輔助因子。
• 階段：
  • 起始 (Initiation)： mRNA 與核糖體的小亞基結合，第一個 tRNA（攜帶起始胺基酸，真核細胞為甲硫胺酸 Met）識別 mRNA 上的起始密碼子（AUG），然後核糖體的大亞基結合，形成完整的起始複合物。
  • 延長 (Elongation)： 核糖體沿著 mRNA 移動，每讀取一個密碼子，就有一個攜帶相應胺基酸的 tRNA 與 mRNA 上的密碼子結合。相鄰胺基酸通過肽鍵連接，形成多肽鏈。這個過程不斷重複，多肽鏈逐漸延長。
  • 終止 (Termination)： 當核糖體遇到 mRNA 上的終止密碼子（UAA, UAG, UGA）時，轉譯終止。釋放因子結合，多肽鏈從 tRNA 上釋放，核糖體亞基分離。

II. 基因表現的調控機制：

基因表現的調控可以發生在基因表現的任何階段，但最常見和最重要的調控點是轉錄水平。

1. 轉錄水平的調控 (Transcriptional Regulation)：

• 啟動子和增強子 (Promoters and Enhancers)：

本題考查生物多樣性的定義以及氣候變遷對其的影響。

I. 生物多樣性 (Bio-diversity) 的定義與層級：

生物多樣性是指地球上生命的多樣性，涵蓋了所有生命形式及其複雜的生態系統。它通常被劃分為三個主要層級：

1. 遺傳多樣性 (Genetic Diversity)：

   • 定義： 同一物種內基因的變異性。這包括同一基因在不同個體間存在的不同等位基因（alleles）的種類和頻率。
   • 重要性： 遺傳多樣性是物種適應環境變化、抵抗疾病和進化能力的基礎。遺傳多樣性越高，物種越有可能在不斷變化的環境中生存下來。

2. 物種多樣性 (Species Diversity)：

   • 定義： 特定區域內物種的種類數量（物種豐富度，species richness）及其相對豐度（species abundance）。
   • 重要性： 物種多樣性是生態系統穩定性和功能性的重要指標。不同物種在生態系統中扮演不同的角色（如生產者、消費者、分解者），共同維持生態系統的平衡和生產力。

3. 生態系多樣性 (Ecosystem Diversity)：

   • 定義： 地球上不同生態系統（如森林、草原、濕地、珊瑚礁、沙漠等）的種類和數量。
   • 重要性： 每個生態系統都具有獨特的結構和功能，為許多物種提供棲息地和資源。生態系之間也存在相互聯繫和影響。生態系多樣性是維持全球生態系統服務（如氣候調節、水淨化、土壤形成）的基礎。

II. 氣候變遷對生物多樣性的影響：

氣候變遷（Climate Change），特別是全球暖化，是當前對生物多樣性構成最嚴峻威脅的因素之一。其影響是多方面且深遠的：

1. 棲息地改變與喪失 (Habitat Change and Loss)：
   • 溫度升高： 許多物種對溫度有特定的適應範圍。溫度升高可能導致其原有棲息地不再適合生存，迫使物種遷移或面臨滅絕。例如，高山物種可能因山頂溫度升高而無處可移。
   • 降雨模式改變： 乾旱、洪水、季風模式改變等都會影響植被生長和水資源可用性，進而影響依賴這些資源的動物。
   • 海平面上升： 淹沒沿海濕地、紅樹林和珊瑚礁，這些是重要的生物多樣性熱點。