108 年 國立臺灣大學生態演化研究所《演化生物學》
第 一、配合題 題2 分
(一)配合題 (2 points each)
A. Phenotypic plasticity
B. Quantitative trait
C. Antagonistic pleiotropy
D. Sexual selection
E. Biological species
F. Ecological speciation
G. Sympatric speciation
H. Conservative characters
I. Gene family
J. Horizontal gene transfer
K. Pseudogene
請將下列敘述與上述選項配對。
- A nonfunctional member of a gene family that has been derived from a functional gene.
- A population or group of populations within which genes are actually or potentially exchanged by inter-breeding, and which are reproductively isolated from other such groups.
- A phenotypic character that varies continuously rather than as discretely different character states.
- Movement of genes between individual organisms other than by transmission from parents to their offspring.
- Speciation in the same geographic location.
- Two or more loci with similar nucleotide sequences that have been derived from a common ancestral sequence.
- Speciation caused by divergent selection, by ecological factors, on characteristics that contribute to reproductive isolation.
- The capacity of an organism to develop any of several phenotypic states, depending on the environment.
- Features that evolve slowly and are retained with little or no change for long periods of evolutionary time.
- Differential reproduction as a result of variation in the ability to obtain mates.
- Contrasting effects of a gene on two different characters, such that the effect of an allele substitution on one character increases fitness, but the effect on the other character decreases fitness.
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本題為演化生物學的基礎名詞概念題,涵蓋了基因、物種形成、遺傳變異、演化機制等重要概念。考生需對這些名詞有清晰的定義與理解。
- ** Pseudogene (K)**:假基因 (Pseudogene) 是指基因家族中,因突變而失去功能,但仍保留與功能性基因相似序列的基因。
- ** Biological species (E)**:生物種 (Biological species) 的定義是指一群能夠互相交配並產生可育後代的族群,同時與其他相似群體在繁殖上是隔離的。
- ** Quantitative trait (B)**:數量性狀 (Quantitative trait) 是指由多個基因和環境因素共同影響,表現出連續變異的性狀,例如身高、體重等。
- ** Horizontal gene transfer (J)**:水平基因轉移 (Horizontal gene transfer) 是指基因非透過親代傳遞給子代,而是直接在個體間傳播,常見於原核生物。
- ** Sympatric speciation (G)**:同域物種形成 (Sympatric speciation) 是指在同一地理區域內發生的物種形成。
第 二、名詞解釋 題3 分
(二)名詞解釋 (3 points each)
請解釋下列名詞:
- Adaptation
- Kin selection
- Bottleneck
- Inbreeding
- Polymorphism
- Fitness
- Maternal effect
- Heterozygous advantage
- Euploid
- Locus
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本題要求解釋演化生物學中的十個重要名詞,涵蓋了適應、社會行為、族群遺傳、遺傳變異、生殖、基因等概念。
- Adaptation (適應):適應是指生物體透過演化獲得的有利於其在特定環境中生存和繁殖的特徵。這些特徵可以是形態、生理或行為上的。適應的過程稱為適應化 (adaptation)。
- Kin selection (親緣選擇):親緣選擇是一種演化機制,透過幫助親緣關係近的個體(例如親代、子代、兄弟姊妹)來間接增加自身基因的傳播。其核心思想是,即使個體自身的生殖機會降低,但若能提升親屬的生存率和繁殖率,其基因仍有可能在族群中擴散。此概念由 W.D. Hamilton 提出。
- Bottleneck (瓶頸效應):瓶頸效應是指當一個族群的規模因環境劇變(如災難、疾病)而急劇縮小,僅少數個體得以倖存,進而建立新的族群。由於倖存的個體數量非常少,其基因庫可能無法代表原族群的遺傳多樣性,導致新族群的基因頻率發生劇烈改變,遺傳多樣性降低。
- Inbreeding (近親繁殖):近親繁殖是指親緣關係較近的個體之間進行繁殖的行為。在某些情況下,近親繁殖會導致後代罹患遺傳疾病的機率增加,因為隱性有害基因被純合化的機率提高,進而降低後代的適應度,此現象稱為近親繁殖憂鬱 (inbreeding depression)。
- Polymorphism (多型性):多型性是指在一個族群中,存在兩種或兩種以上等位基因或遺傳型式,且這些等位基因的頻率都達到一定程度(通常指最低頻率大於 1%)。例如,ABO 血型系統就是一種人類紅血球抗原的多型性。
- Fitness (適應度):適應度是指一個個體在其所處環境中,成功繁殖後代的相對數量。在演化學中,適應度是衡量基因或基因型在族群中傳播能力的指標,通常以生殖成功率來衡量。
第 三、題組 題2 分
(三)題組 (2 points each)
Below is the "reaction norm" of the phenotypes (the vertical axis) of three different genotypes (three lines) in two different environments (the horizontal axis). In (A) and (B), the lines are parallel to each other.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(A)
(B)
(C)
Environment 1 Environment 2
Environment 1 Environment 2
Environment 1 Environment 2
請回答下列問題:
- Which one has genotype-by-environment interaction effect?
- Which one has both genetic and environmental effect, but not genotype-by-environment interaction?
- Which one has only genotype but no environmental effect?
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核心觀念
反應規範(reaction norm)描述同一基因型在不同環境下的表型反應。圖中:
- 直線彼此的垂直差距:代表基因型差異造成的遺傳效應。
- 直線由環境 1 到環境 2 的上升或下降:代表環境效應。
- 不同基因型的反應線斜率不同,導致直線不平行:代表基因型與環境交互作用(genotype-by-environment interaction, G×E interaction)。
可用表型模型表示:
其中 為表型, 為基因型效應, 為環境效應, 為基因型與環境的交互作用。
解題方法
依序觀察三個圖形中的反應線:
- 先看不同基因型的反應線是否平行。
- 再看反應線是否隨環境改變而上下移動。
- 若斜率不同或直線交叉,表示不同基因型對環境的反應不同,即有 G×E interaction。
- 若各線平行且具有斜率,表示同時有遺傳效應與環境效應,但沒有交互作用。
- 若各線為水平線,表示環境改變不影響表型;若不同基因型仍位於不同高度,則只有遺傳效應。
圖形分析與各小題答案
-
Which one has genotype-by-environment interaction effect?
答案為 (C)。
在(C)中,三個基因型的反應線斜率不同,且由環境 1 到環境 2 時彼此發散。這表示不同基因型對環境變化的反應幅度不同,因此具有基因型與環境交互作用。
第 四、問答題 題6 分
(四)問答題
- (6 points) Explain "biological species concept"
- (6 points) Premating barriers between species reduce the likelihood to transfer gametes to members of other species. Please give one example of premating barrier in plant.
- (5 points) In many cases sexual reproduction is more costly than asexual reproduction: individuals need to spend time searching for and use energy to compete for mates. Why can sexual reproduction still evolve from asexual reproduction? Please give one advantage of sexual reproduction.
- (5 points) A naturally outcrossing species, if forced to perform inbreeding (self-fertilization or mating between close relatives), the progeny would often have lower fitness. This is called inbreeding depression. Please give one explanation why inbreeding depression happens.
- The genotype frequencies of a locus within a population are listed below.
A1A1 | A1A2 | A2A2
-------|------|------
Observed | 181 | 239 | 80
5A. (5 points) What are the allele frequencies of A1 and A2?
5B. (5 points) What are the frequencies of three expected genotypes under Hardy-Weinberg equilibrium?
6. (10 points) On average 5% of offspring of genotype A are able to survival to reproduce and that percentage for genotype B is 3%. The number of egg laid by adult of genotype A is 20 and by adult of genotype B is 30. Which genotype has higher fitness?
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1. Biological species concept
核心觀念
生物種概念(biological species concept, BSC)由 Ernst Mayr 提出,定義為:
物種是由實際或潛在地彼此交配,並能產生具有繁殖能力後代的自然族群所組成;這些族群與其他族群之間具有生殖隔離。
重點包括:
- 同一物種內的個體能夠交配。
- 後代必須具有存活能力與繁殖能力。
- 不同物種之間存在生殖隔離,無法有效交換基因。
生殖隔離可分為:
- 交配前隔離(premating barriers):阻止交配或配子傳遞。
- 交配後隔離(postmating barriers):雖能交配,但後代死亡、不育或適應力低。
解題方法
題目要求解釋 BSC,應同時寫出「可交配並產生可育後代」與「和其他族群具有生殖隔離」兩項核心條件。
解題技巧
不能只寫「同一物種的個體外觀相似」。BSC 判斷的是基因交流與生殖能力,不是外形相似度。
【答案】生物種概念認為,物種是由彼此能夠交配並產生具有繁殖能力後代的自然族群所組成;該族群與其他族群之間具有生殖隔離,因此無法有效交換基因。
2. 植物的交配前隔離
核心觀念
交配前隔離發生在受精之前,能降低不同物種之間的交配或配子傳遞機率。植物常見的交配前隔離包括:
- 開花時間不同
- 花粉成熟時間不同
- 植物依賴不同授粉者
- 花部構造不同,造成機械性隔離
- 花粉無法在異種柱頭上正常萌發
解題方法
只需提出一個植物例子,並說明它如何阻止不同物種間的基因交流。
解題技巧
答案不可只寫「兩物種不會交配」,必須指出具體隔離機制。例如開花期不同,便屬於時間隔離;授粉者不同,則屬於授粉者隔離。
【答案】例如兩種近緣植物的開花期不同:一種在春季開花,另一種在夏季開花,因此兩者的花粉與胚珠在時間上不相遇,降低異種授粉與受精的機會,這是時間性的交配前隔離。
3. 有性生殖仍能演化的優勢
核心觀念
有性生殖的成本較高,包括尋找配偶、競爭配偶,以及只將部分基因傳給後代等。但有性生殖能透過減數分裂與受精作用產生基因重組,使後代具有較高的遺傳變異。
解題方法
指出一項有性生殖相對於無性生殖的適應優勢,並說明其演化意義。
解題技巧
最穩定的答法是「增加遺傳變異,使族群能適應環境變化」。不要只寫「後代比較多樣」,還要連結到自然選擇與適應。
【答案】有性生殖能透過基因重組產生具有不同基因組合的後代,增加族群的遺傳變異,使自然選擇更容易篩選出適應新環境、病原體或天敵的個體,因此可提高族群的長期適應能力。
4. 近親繁殖衰退的原因
核心觀念
近親繁殖衰退(inbreeding depression)是指自交或近親交配後,後代平均適應力下降,表現為存活率降低、生長不良、繁殖力下降等。
常見原因是族群中存在隱性有害等位基因。異交時,這些等位基因常以雜合狀態存在,不會表現明顯;近親繁殖會增加相同等位基因相遇的機會,使隱性有害基因形成純合子並表現出不利性狀。
解題方法
將因果關係寫完整:
解題技巧
關鍵詞是「隱性有害等位基因」與「純合度上升」。若只寫「遺傳多樣性降低」,雖有相關性,但未完整說明近親繁殖衰退的主要遺傳機制。
【答案】近親繁殖會提高後代的基因純合度,使原本被正常等位基因掩蓋的隱性有害等位基因較容易形成純合子並表現出來,因而造成後代存活率、生長或繁殖能力下降,形成近親繁殖衰退。