111 年 國立臺灣大學藥學系碩士班《普通生物學（B）》

此題為單字題，需具備生物學基礎詞彙。以下為各詞彙的解釋：

1. acclimatization (適應)：生物體對環境變化所做的生理或行為上的調整，以維持其生存或功能。這是個體層級的短期調整。
2. ecotype (生態型)：同一物種中，因應特定環境壓力而演化出的族群，具有獨特的遺傳特徵和適應性。這是族群層級的長期演化結果。
3. epigenetics (表觀遺傳學)：研究不改變 DNA 序列本身，但能影響基因表現的遺傳機制，如 DNA 甲基化和組蛋白修飾。這些改變可以世代傳遞。
4. fermentation (發酵)：一種無氧呼吸的代謝過程，生物體利用有機物作為電子接受者，將其分解以產生能量（ATP），通常伴隨有機酸或酒精的產生。

此題考查生物體的基本組成與分類。
人體是真核生物，而 Streptococcus 是細菌，屬於原核生物。
A) 錯。人體屬於 Eukarya (真核域)，Streptococcus 屬於 Bacteria (細菌域)。兩者屬於不同的域。
B) 對。所有已知的生命形式，無論是原核生物還是真核生物，都是由細胞構成的。

此題考查演化學的基本概念，特別是物種形成。
物種形成（speciation）是指一個物種演化成兩個或更多新物種的過程。當一個物種的族群因為地理隔離、生殖隔離等原因，彼此之間的基因交流中斷，並各自演化，最終可能導致形成新的物種。
A) adaptive radiation (適應性演化)：指一個物種在短時間內演化出多種適應不同生態位的後代物種。這通常是物種形成的一種結果，但「適應性演化」更強調的是多樣化的適應，而非物種形成的「過程」本身。
B) creationism (創世論)：一種宗教觀點，認為生命是由神創造的，與科學的演化論不符。

核心觀念

本題考查「適應（adaptation）」與自然選擇的條件。

某一性狀要能被稱為適應，通常需符合：

1. 該性狀具有可遺傳的變異。
2. 該性狀能提高個體的生存或繁殖成功率。
3. 經過多代自然選擇後，該性狀在族群中的比例增加。

題幹已觀察到：毛髮較長的雄性有更多交配機會，且能產生較多後代，表示毛髮長度可能與繁殖適存度相關。然而，若毛髮長度完全不能遺傳，優勢便無法透過自然選擇累積，也不能確立其為演化上的適應。

解題方法

判斷一個性狀是否為自然選擇形成的適應，關鍵是確認「繁殖優勢」是否能傳給後代，因此必須檢驗毛髮長度的遺傳性。

可用下列概念表示：

題幹已提供繁殖成功率差異，尚缺少的是毛髮長度是否具有遺傳性。因此應確認：

其中 $h^2$ 為遺傳率、$V_A$ 為加性遺傳變異、$V_P$ 為表現型總變異。若毛髮長度具有遺傳基礎，且長毛雄性確實留下較多後代，則自然選擇可能使長毛性狀逐代增加。

選項分析

A) test whether other traits in these males are also adaptive

此題考查科學方法的標準流程。科學方法的步驟通常是：

1. Observation (觀察)：對現象進行觀察。
2. Hypothesis (提出假說)：根據觀察提出一個可檢驗的解釋。
3. Experiment (進行實驗)：設計並執行實驗來檢驗假說。
4. Analysis (分析結果)：整理並分析實驗數據。
5. Conclusion (得出結論)：根據分析結果判斷假說是否成立。
6. Communicate results (發表結果)：將研究發現告知科學界。

讓我們逐一檢視選項：
A) Observation → Analysis → Hypothesis → Conclusion → Communicate results → Experiment

此題考查化學中的化合物（compound）和元素（element）的定義。

• 化合物 (Compound)：由兩種或兩種以上不同的元素，透過化學鍵以固定比例結合而成的純物質。
• 元素 (Element)：由一種原子組成，無法再分解為更簡單物質的純物質。

我們來分析各選項中的物質：

• H₂O (水)：由氫 (H) 和氧 (O) 兩種元素組成，透過化學鍵結合。因此，H₂O 是化合物。
• O₂ (氧氣)：由兩種氧原子結合而成，只含有一種元素（氧）。

此題考查原子結構、同位素（isotopes）的概念。

• 原子序 (Atomic number)：等於原子核中質子的數量。質子的數量決定了元素的種類。
• 質量數 (Mass number)：等於原子核中質子數與中子數之和。
• 同位素 (Isotopes)：質子數相同，但中子數不同的同一元素原子。
• 原子 (Atom)：在電中性狀態下，質子數等於電子數。

已知鉬 (Molybdenum, Mo) 的原子序為 42。
這表示：

• 鉬原子有 42 個質子 (protons)。
• 在電中性的鉬原子中，有 42 個電子 (electrons)。

題目提到鉬的常見同位素質量數在 92 到 100 之間。
對於任何一個鉬原子，質子數固定為 42。
中子數 (neutrons) = 質量數 - 質子數。
因此，鉬原子的中子數範圍為：

• 最小質量數 92：中子數 = 92 - 42 = 50
• 最大質量數 100：中子數 = 100 - 42 = 58
  所以，鉬原子的中子數範圍是 50 到 58。

此題考查地理位置對氣候的影響，特別是海洋和大陸性氣候的差異。
兩個城市（波特蘭和明尼阿波利斯）位於大致相同的緯度，但氣候差異很大：明尼阿波利斯夏季炎熱，冬季寒冷（大陸性氣候）；波特蘭夏季溫和，冬季溫和（海洋性氣候）。
這種差異主要與它們遠離海洋的程度有關。
A) They are not at the same exact latitude.

• 題目明確指出「at about the same latitude」，表示緯度差異不是主要原因。
  B) The ocean near Portland moderates the temperature.
• 波特蘭位於美國西海岸，靠近太平洋。海洋具有巨大的熱容量，可以調節周圍地區的氣溫。夏季，海洋吸收熱量，使氣溫不會過高；冬季，海洋釋放熱量，使氣溫不會過低。

核心觀念

本題考查 pH 的高低與體液酸鹼性。pH 定義為氫離子濃度的負對數：

氫離子濃度越高，pH 越低，溶液越酸。比較時先判斷各體液的典型 pH，再依數值由小到大排列。

解題方法

胃酸的 pH 約為 $1\text{–}2$，酸性最強、pH 最低。尿液的 pH 會隨飲食與生理狀態變動，常見約為 $6$，一般低於血液。血液 pH 約為 $7.35\text{–}7.45$，並受到嚴格調控，略呈鹼性。

因此由低至高排列為：

選項分析

此題考查海洋酸化（ocean acidification）對海洋生物的影響，特別是鈣化生物（calcifying organisms）。
海洋酸化是由於大氣中二氧化碳 (CO₂) 濃度升高，海水吸收過多的 CO₂ 所致。
CO₂ 溶解在水中會形成碳酸 (H₂CO₃)：
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃
碳酸會進一步解離，釋放氫離子 (H⁺)，導致 pH 下降（酸化）：
H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ (碳酸氫根離子)
HCO₃⁻ ⇌ H⁺ + CO₃²⁻ (碳酸根離子)

海洋生物，特別是珊瑚、貝類、浮游生物等，需要利用海水中的碳酸根離子 (CO₃²⁻) 來形成碳酸鈣 (CaCO₃) 骨骼或外殼。
Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃

當海水酸化時，H⁺ 濃度升高，會促進碳酸氫根離子 (HCO₃⁻) 和碳酸根離子 (CO₃²⁻) 的解離，同時也會與碳酸根離子反應，消耗碳酸根離子：
H⁺ + CO₃²⁻ ⇌ HCO₃⁻

因此，海洋酸化會導致：

1. H⁺ 濃度升高，pH 下降。
2. 碳酸根離子 (CO₃²⁻) 濃度下降。
3. 碳酸鈣 (CaCO₃) 的形成變得更加困難，甚至已形成的碳酸鈣結構可能溶解。

此題考查有機化學中的立體異構物 (stereoisomers)，特別是順反異構物 (cis-trans isomers)，也稱為幾何異構物 (geometric isomers)。

• 異構物 (Isomers)：具有相同分子式但結構或空間排列不同的化合物。
• 順反異構物 (Cis-trans isomers)：通常發生在具有雙鍵（如 C=C）或環狀結構的分子中，由於鍵的旋轉受限，導致取代基在雙鍵或環的同一側（順式, cis）或相對側（反式, trans）排列。

分析選項：
A) They have variations in arrangement around a double bond.

• 這是順反異構物（幾何異構物）的定義。在雙鍵的兩側，取代基的空間排列不同，例如在雙鍵的同一側（cis）或相對側（trans）。

此題考查顯微鏡的解析度（resolution）與其成像原理的關係。
解析度是指顯微鏡能夠分辨兩個相鄰物點的最小距離。解析度越小，顯微鏡的辨識能力越強。
解析度與所用波長 (λ) 和數值孔徑 (NA) 有關，通常由瑞利判據 (Rayleigh criterion) 給出近似公式： $d = \frac{0.61\lambda}{NA}$。簡單來說，波長越短，解析度越高。

• 光學顯微鏡 (Light microscope)：使用可見光作為光源，可見光的波長範圍約在 400-700 奈米 (nm)。其最大解析度約為 200 nm。
• 穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscope, TEM)：使用電子束作為光源。電子的波長比可見光短得多（取決於加速電壓，波長可達 0.003 nm）。TEM 的解析度可達 0.2 nm 甚至更高。

分析選項：
A) Glass lenses in light microscopes refract light, which reduces resolution.

• 光學顯微鏡使用玻璃透鏡聚焦光線，但透鏡的品質和設計會影響解析度，折射本身是成像原理，不是解析度低的主要原因。

此題考查細胞器功能與遺傳疾病的關聯。
泰-薩克斯病 (Tay-Sachs disease) 是一種遺傳性疾病，其特徵是細胞內（特別是神經細胞）無法正常分解的大型、複雜的脂質（神經節苷脂）堆積。
細胞內負責分解大分子物質（包括脂質、蛋白質、核酸等）的細胞器是溶酶體 (lysosome)。
溶酶體含有多種水解酶（acid hydrolases），在酸性環境下（pH 約 4.5-5.0）工作，分解細胞產生的廢棄物或吞噬的外來物質。
在泰-薩克斯病中，通常是 β-己糖苷酶 (β-hexosaminidase A) 這種溶酶體酶的活性缺陷，導致神經節苷脂無法被正常分解，進而堆積在細胞內，損害神經系統。

此題考查放射性標記化合物在植物細胞內的去向，以及細胞內 DNA 的存在位置。
放射性標記的胸腺嘧啶 (thymine) 是一種核苷酸，是 DNA 的組成成分。
在真核細胞中，DNA 主要存在於：

1. 細胞核 (nucleus)：細胞核是主要的遺傳物質庫，含有絕大多數的染色體 DNA。
2. 粒線體 (mitochondria)：粒線體有自己的環狀 DNA (mtDNA)，負責編碼部分粒線體蛋白。
3. 葉綠體 (chloroplasts)：葉綠體（在植物細胞和藻類中）也有自己的環狀 DNA (cpDNA)，負責編碼部分葉綠體蛋白。

胸腺嘧啶 (thymine) 是 DNA 的組成單元之一（A, T, G, C）。當植物細胞在含有放射性標記胸腺嘧啶的培養基中生長時，細胞會吸收這些標記的核苷酸，並將它們用於合成新的 DNA。

此題考查熱力學第二定律在生物系統中的應用，以及生物體如何利用能量。
熱力學第二定律指出，在任何自發過程中，系統的熵（無序度）總是趨於增加。熱量（heat）是一種能量傳遞的形式，但它是一種「無序」的能量。要從熱量中提取有用的功（work），需要溫度差。
熱機（如引擎）的工作原理就是利用高溫熱源和低溫熱源之間的溫度差來做功。
在細胞內，大多數化學反應和生物過程（如 ATP 合成、肌肉收縮、主動運輸）是利用「化學能」（儲存在分子鍵中的能量）或「電化學梯度」（如質子梯度）來做功，而不是直接利用熱量。

分析選項：
A) heat is not a form of energy

• 錯誤。熱量是能量的一種形式。

此題考查現代疾病（如近視、乳腺癌、肥胖）的流行與人類演化、環境、生活方式之間的關係。
這些疾病在現代社會的發生率顯著增加，它們被稱為「文明病」（diseases of civilization）。
A) human populations have accumulated a number of mutations that have become fixed by genetic drift

• 雖然基因漂變會影響基因頻率，但這些現代疾病的快速增加（在幾代人內）不太可能是由單純的基因漂變固定突變所致。基因漂變是隨機的，通常在小族群中影響更大。

B) the changes in human lifestyle account for all of the increase in frequencies of these conditions

• 生活方式的改變（如飲食、運動、環境暴露）無疑是重要因素，但將「所有」的增加歸因於生活方式可能過於絕對，遺傳因素（基因易感性）也扮演重要角色。

C) **these conditions are indeed "diseases of civilization" and are likely caused by the interaction between genes (genetic

此題要求描述幾乎所有陸生植物都具備的五項適應性特徵，這些特徵幫助植物適應陸地乾燥、需要結構支撐以及需要繁殖和養分獲取的環境。

以下是五項關鍵的適應性特徵：

1. 角質層 (Cuticle)：

   • 描述：植物體表面（莖、葉）覆蓋一層蠟質的角質層。
   • 適應性：主要功能是防止水分散失（減少蒸發），對應陸地環境的乾燥。同時也能抵抗紫外線和病原體的入侵。

2. 氣孔 (Stomata)：

   • 描述：葉片和莖表皮細胞上的微小孔隙，由保衛細胞（guard cells）圍繞。
   • 適應性：這是植物進行氣體交換（吸收 CO₂ 進行光合作用，釋放 O₂）和蒸散作用（水分散失）的通道。雖然蒸散會導致水分散失，但它對植物進行光合作用和運輸水分養分是必需的。氣孔的開閉機制可以調節水分散失。

3. 維管束組織 (Vascular Tissues - Xylem and Phloem)：

   • 描述：植物體內專門負責運輸的組織，包括木質部 (xylem) 和韌皮部 (phloem)。
   • 適應性：
     • 木質部 (Xylem)：運輸水分和無機鹽從根部到植物的地上部分，並提供結構支撐（木質素）。這使得植物能夠從土壤中獲取水分並長高，抵抗重力。
     • 韌皮部 (Phloem)：運輸由光合作用產生的糖類（有機養分）從葉片到植物的其他部位（根、莖、花、果實）。
   • 此系統的發展是陸生植物能夠長高、擴大體積、並有效分配資源的關鍵。

4. 支持組織 (Support Tissues - e.g., Sclerenchyma, Collenchyma)：

   • 描述：植物體內提供結構支撐的細胞和組織，例如厚壁組織（sclerenchyma，細胞壁堅硬）和厚角組織（collenchyma，細胞壁在角隅處增厚）。
   • 適應性：陸地環境中，植物不像水生植物那樣有水的浮力支撐，必須依靠自身組織來抵抗重力，保持直立生長，以便充分接觸陽光。維管束中的木質部細胞本身也具有支持作用。

此題要求描述三種不同類型 COVID-19 疫苗的基本原理。

1. mRNA 疫苗 (mRNA Vaccines) - 例如輝瑞-BioNTech (Pfizer-BioNTech) 或莫德納 (Moderna)

   • 基本原理：
     • 這類疫苗不包含病毒本身，而是攜帶一段信使 RNA (mRNA) 分子。
     • 這段 mRNA 攜帶 SARS-CoV-2 病毒的棘狀蛋白 (spike protein) 的遺傳指令。
     • 疫苗將 mRNA 遞送到人體細胞（通常是肌肉細胞）中。
     • 細胞內的核糖體會讀取這段 mRNA 的指令，並據此製造出病毒的棘狀蛋白。
     • 人體的免疫系統會識別這些由自身細胞製造出的棘狀蛋白為外來物，進而產生免疫反應，包括產生抗體和記憶 T 細胞。
     • 當人體真正接觸到 SARS-CoV-2 病毒時，免疫系統就能夠快速識別並攻擊病毒的棘狀蛋白，從而預防感染或減輕疾病症狀。
     • mRNA 分子在細胞內會被快速降解，不會整合到人體基因組中。

2. 蛋白質次單元疫苗 (Protein Subunit Vaccines) - 例如正在研發中的疫苗

   • 基本原理：
     • 這類疫苗直接將病毒的特定蛋白質片段（通常是棘狀蛋白）作為抗原，注入人體。
     • 這些蛋白質片段是在實驗室中通過基因工程技術生產出來的（例如在酵母菌或昆蟲細胞中表達）。
     • 這些蛋白質片段本身並不具有感染性，也不會引起疾病。
     • 人體的免疫系統會識別這些外來的蛋白質片段，並產生免疫反應，形成抗體和記憶細胞。
     • 這是一種傳統的疫苗技術，例如 B 型肝炎疫苗和流感疫苗（部分）也是蛋白質次單元疫苗。

此題考查遺傳學、演化學和疾病的關係，特別是鐮刀型血球貧血症 (Sickle Cell Disease, SCD) 與瘧疾 (Malaria) 的關聯，這是一個典型的演化平衡 (evolutionary balance) 或雜合子優勢 (heterozygote advantage) 的例子。

背景知識：

• 正常紅血球：圓形，柔軟，能順利通過微血管。
• 鐮刀型血球貧血症 (SCD)：由血紅蛋白 β 鏈基因 (HBB) 的一個點突變引起，該突變導致血紅蛋白 S (HbS)。攜帶兩個 HbS 等位基因 (HbS/HbS) 的個體患有嚴重的鐮刀型血球貧血症。
• 鐮刀型血球貧血症狀：紅血球變形為鐮刀狀，容易阻塞血管，導致疼痛、器官損傷、貧血，嚴重者可能早逝。
• 鐮刀型血球性狀 (Sickle Cell Trait)：攜帶一個 HbS 等位基因和一個正常 HbA 等位基因的雜合子 (HbA/HbS)。這些個體通常沒有嚴重的 SCD 症狀，或症狀輕微。
• 瘧疾 (Malaria)：由瘧原蟲引起，通過蚊子傳播的疾病，在熱帶和亞熱帶地區廣泛流行，尤其嚴重影響紅血球。

(1). Explain why sickle cell disease became so prevalent in certain East African populations.

• 核心概念：雜合子優勢 (Heterozygote Advantage)。
• 解釋：
  在瘧疾流行的地區，攜帶一個鐮刀型血球基因 (HbA/HbS) 的雜合子個體，其紅血球在低氧環境下會部分變形，這使得寄生在紅血球內的瘧原蟲難以在其內繁殖和生存，從而賦予這些雜合子個體對瘧疾的抵抗力。相比之下，沒有鐮刀型血球基因的純合子正常個體 (HbA/HbA) 容易感染嚴重的瘧疾，導致較高的死亡率。而患有嚴重鐮刀型血球貧血症的純合子個體 (HbS/HbS) 雖然對瘧疾有抵抗力，但自身疾病的嚴重性也限制了其繁殖能力。因此，在瘧疾流行的環境壓力下，攜帶一個 HbS 等位基因的雜合子 (HbA/HbS) 具有最高的生存和繁殖優勢，這導致 HbS 等位基因的頻率在這些人群中得以維持在較高水平，甚至高達 40%。

(2). Predict what will happen to the frequency of the sickle cell allele as three drugs become more widely used.