111 年 國立臺灣大學動物科技學系碩士班甲組《動物解剖生理學》

動作電位（Action potential）是一種細胞膜電位暫時性的快速變化，在神經元和肌肉細胞中尤為重要。當細胞受到足夠的刺激時，細胞膜上的離子通道會打開，允許帶正電的離子（如鈉離子 $Na^+$）快速流入細胞內，導致細胞膜內側電位由負轉正，這個過程稱為去極化（depolarization）。緊接著，鈉離子通道會關閉，鉀離子通道（$K^+$）打開，鉀離子快速流出細胞外，使細胞膜內側電位恢復到負值，這個過程稱為再極化（repolarization）。

腦脊髓液（Cerebrospinal fluid, CSF）是一種無色透明的液體，充滿於腦室系統（ventricular system）和蜘蛛膜下腔（subarachnoid space）中，並包繞著大腦和脊髓。它由脈絡叢（choroid plexus）分泌，主要成分與血漿相似，但蛋白質和葡萄糖含量較低。腦脊髓液的主要功能包括：

1. 緩衝保護：如同水袋般保護大腦和脊髓免受物理性衝擊和震盪。

蝕骨細胞（Osteoclast）是一種大型、多核的細胞，主要負責骨骼的再吸收（bone resorption）作用。這些細胞起源於造血幹細胞，並在骨骼表面附著，形成一個稱為「密封腔」（sealing zone）的區域。

興奮-收縮偶聯（Excitation-contraction coupling, ECC）是指從神經訊號傳遞到肌肉纖維收縮的整個過程。在骨骼肌中，當運動神經元釋放乙醯膽鹼（acetylcholine）到神經肌肉接頭（neuromuscular junction）後，會在肌細胞膜（sarcolemma）上引發動作電位。這個動作電位會傳遞到肌細胞內部，通過橫小管（T-tubules）系統，觸發肌漿網（sarcoplasmic reticulum, SR）釋放鈣離子 ($Ca^{2+}$)。

基礎代謝率（Basal Metabolic Rate, BMR）是指在人體完全休息、清醒、空腹且處於恆溫環境下的最低能量消耗速率。這個能量主要用於維持生命基本機能，例如呼吸、心跳、體溫調節、細胞代謝以及器官的正常運作。

食道溝（esophageal groove），又稱為反芻溝（reticular groove）或胃食道溝（esophagogastric groove），是反芻動物（如牛、羊）特有的結構。它是由兩條肌肉皺襞（犁狀皺襞，gastric pillars）構成，從食道末端延伸至瘤胃（rumen）和網胃（reticulum）之間的入口。

下視丘-腦下垂體-腎上腺皮質軸（Hypothalamic-Pituitary-Adrenal axis, HPA axis）是人體內一個重要的內分泌調節系統，主要負責調節身體對壓力的反應以及能量代謝、免疫功能等。當身體感知到壓力時，下視丘（hypothalamus）會釋放促腎上腺皮質素釋放激素（corticotropin-releasing hormone, CRH），刺激腦下垂體前葉（anterior pituitary）分泌促腎上腺皮質素（adrenocorticotropic hormone, ACTH）。

類固醇生成（Steroidogenesis）是指生物體合成類固醇荷爾蒙（steroid hormones）的生化過程。類固醇荷爾蒙是一類由膽固醇（cholesterol）衍生的脂溶性荷爾蒙，包括性荷爾蒙（如睪固酮、雌二醇）、腎上腺皮質荷爾蒙（如皮質醇、醛固酮）以及維生素 D 等。類固醇生成主要發生在腎上腺皮質、性腺（睪丸和卵巢）以及胎盤等特定器官中。

本題考查家畜脊椎骨的共同構造、部位差異，以及骨骼生長（增長與變粗）的機制。

家畜脊椎骨的共同構造與部位差異：

家畜的脊椎骨（vertebra）是構成脊柱的基本單位，雖然各部位（頸椎、胸椎、腰椎、薦椎、尾椎）的形態有所差異，但都具有一些共同的基本構造：

1. 椎體（Body）： 脊椎骨前方堅實的柱狀結構，承受體重和壓力。
2. 椎弓（Vertebral Arch）： 包圍椎孔的結構，由兩側的椎弓根（pedicle）和椎弓板（lamina）構成。
3. 椎孔（Vertebral Foramen）： 椎體和椎弓圍成的孔洞，所有椎孔連接起來形成脊髓腔，保護脊髓。
4. 棘突（Spinous Process）： 位於椎弓後方中線的突起，是肌肉附著點，用於運動。
5. 橫突（Transverse Processes）： 位於椎弓兩側的突起，也是肌肉附著點，並參與關節形成。
6. 關節突（Articular Processes）： 位於椎弓上下方的成對突起，包括上關節突（cranial/superior articular processes）和下關節突（caudal/inferior articular processes），與相鄰椎骨的關節突形成椎間關節（intervertebral joints），限制或允許脊柱的活動。

部位差異比較：

• 頸椎（Cervical Vertebrae）：
  • 數量：通常為 6-7 塊（馬、牛、豬、羊）。
  • 特徵：體積相對較小，椎孔較大，棘突通常較短（除 C2 的軸椎（axis）有明顯的向前突出的齒狀突（dens））。橫突發育明顯，常有橫孔（foramen transversarium），容納椎動脈。第一頸椎（寰椎，atlas）形態特殊，呈環狀，無椎體和棘突，與枕骨形成寰枕關節。
  • 功能：提供頭部靈活的運動。
• 胸椎（Thoracic Vertebrae）：
  • 數量：與肋骨數相等，通常為 13-18 塊。
  • 特徵：椎體較大，棘突長度變化大，通常較長並向後傾斜，尤其在胸椎前部。橫突較短，並有關節面（costal facets）與肋骨頭部連接。棘突和橫突上也有與肋骨結節（tubercle of rib）連接的關節面。
  • 功能：構成胸廓，保護內臟，並與肋骨共同限制脊柱的過度彎曲。
• 腰椎（Lumbar Vertebrae）：
  • 數量：通常為 6-7 塊。
  • 特徵：體積最大，椎體厚實，棘突短而寬，通常垂直向上。橫突長而扁平，向外側伸展。關節突較大，通常相互嵌合，限制脊柱的扭轉。
  • 功能：承受主要的體重和腹腔壓力，提供腹部支撐。
• 薦椎（Sacral Vertebrae）：
  • 數量：通常為 3-5 塊（視物種而定），癒合成一塊薦骨（sacrum）。
  • 特徵：椎體癒合，棘突和橫突也癒合成骨板，形成薦骨的背側面和腹側面。薦骨與髂骨（ilium）形成強固的薦髂關節（sacroiliac joint），連接脊柱和骨盆。
  • 功能：作為脊柱與骨盆之間的橋樑，支撐體重並將其傳遞至後肢。
• 尾椎（Caudal Vertebrae）：
  • 數量：變化最大，從幾塊到數十塊不等，形成尾巴。

本題考查運動時呼吸和心跳加快的生理機制。

當人體進行慢跑等中等強度運動時，肌肉的耗氧量和產熱量顯著增加，同時產生的二氧化碳 ($CO_2$) 也增多。身體為了滿足這些需求並維持內環境的穩定，會啟動一系列的調節機制，其中呼吸和心跳的加快是關鍵的反應。

1. 呼吸加快與加深的機制：

• 刺激因素：

  • 二氧化碳升高： 運動時，肌肉代謝產生的 $CO_2$ 進入血液，導致動脈血 $CO_2$ 分壓 ($P_{CO_2}$) 升高。這是最主要的呼吸刺激。
  • pH值下降： $CO_2$ 溶於血液後會形成碳酸 ($H_2CO_3$)，進而釋放出氫離子 ($H^+$)，導致血液 pH 值下降（變酸）。
  • 氧氣分壓降低（較不顯著）： 在一般中等強度運動下，動脈血氧氣分壓 ($P_{O_2}$) 通常不會顯著下降到足以強烈刺激呼吸的程度，但極高強度運動或缺氧環境下會成為重要因素。
  • 本體感受器（Proprioceptors）的訊號： 運動時，肌肉和關節中的本體感受器會發出訊號，預先或同時刺激呼吸中樞。

• 調節中心： 呼吸中樞位於腦幹，主要包括延髓（medulla oblongata）的吸氣中樞和呼氣中樞，以及腦橋（pons）的呼吸調節區。

  • 化學感受器（Chemoreceptors）： 頸動脈體（carotid bodies）和主動脈體（aortic bodies）中的周邊化學感受器對 $P_{CO_2}$、pH 值和 $P_{O_2}$ 變化非常敏感。當 $P_{CO_2}$ 升高或 pH 值下降時，這些感受器會發出神經訊號。
  • 中樞化學感受器： 延髓表面的中樞化學感受器對腦脊髓液中的 $H^+$ 濃度變化（主要由 $CO_2$ 擴散引起）非常敏感。

• 反應過程：

  • 當血液中的 $CO_2$ 升高和 pH 值下降時，化學感受器（尤其是周邊化學感受器）被激活，向呼吸中樞發出訊號。
  • 呼吸中樞（主要是延髓的吸氣中樞）接收到這些訊號後，會增加吸氣肌（主要是膈肌和肋間肌）的活動頻率和強度。
  • 這導致呼吸頻率加快（呼吸變得急促）和潮氣量（每次呼吸吸入或呼出的氣體量）增加（呼吸變得加深）。
  • 總體而言，每分鐘通氣量（minute ventilation = 呼吸頻率 × 潮氣量）顯著增加，以更有效地排出運動產生的 $CO_2$ 並攝入更多氧氣，從而維持血液氣體平衡。

2. 心跳加快與加強的機制：

• 刺激因素：
  • 神經調節（自主神經系統）：
    • 交感神經系統（Sympathetic Nervous System）興奮： 運動是壓力的一種形式，會激活交感神經系統。運動時，交感神經末梢釋放去甲腎上腺素（norepinephrine），同時腎上腺髓質（adrenal medulla）釋放腎上腺素（epinephrine）和去甲腎上腺素到血液中。

這題考的核心觀念是消化生理學、營養學以及內分泌學中的血糖恆定機制。考生需要整合不同食物種類（碳水化合物與蛋白質/脂肪）在消化道中的消化、吸收過程差異，並進一步連結到吸收後對血糖的影響，以及身體如何透過內分泌系統調節血糖回到恆定狀態。

解題過程

第一部分：麵包與雞腿的消化代謝及吸收的異同之處

• 麵包 (主要為碳水化合物)

  • 消化：
    • 口腔： 唾液中的澱粉酶（amylase）開始分解澱粉（多醣）為較小的寡醣和麥芽糖（雙醣）。
    • 胃： 胃酸（HCl）會使澱粉酶失活，因此胃部對碳水化合物的消化作用不大。
    • 小腸： 胰液中的澱粉酶繼續分解寡醣和麥芽糖為單醣（葡萄糖）。腸壁細胞分泌的雙醣酶（如麥芽糖酶、蔗糖酶、乳糖酶）將雙醣分解為單醣。
  • 吸收： 主要在小腸吸收。葡萄糖、果糖、半乳糖等單醣透過主動運輸或促進性擴散進入小腸絨毛細胞，再進入門靜脈循環，最終運送至肝臟。
  • 代謝： 吸收的葡萄糖是身體主要的能量來源，可立即氧化供能，或儲存為肝醣（glycogen）於肝臟和肌肉，或轉化為脂肪。

• 雞腿 (主要為蛋白質與脂肪)

  • 消化：
    • 口腔： 無蛋白質或脂肪消化酶。
    • 胃： 胃酸（HCl）使蛋白質變性，並活化胃蛋白酶原（pepsinogen）為胃蛋白酶（pepsin），開始分解蛋白質為較短的多胜肽鏈。
    • 小腸： 胰液中的胰蛋白酶（trypsin）、胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）等繼續分解多胜肽鏈為更小的胜肽。腸壁細胞分泌的胜肽酶（peptidase）將胜肽分解為胺基酸、二胜肽、三胜肽。脂肪則在膽汁（乳化脂肪）和胰液中的脂肪酶（lipase）作用下，分解為脂肪酸和甘油。
  • 吸收： 胺基酸、二胜肽、三胜肽主要在小腸吸收，進入門靜脈循環。脂肪酸和甘油則在小腸絨毛細胞內重新組合成三酸甘油酯，並與膽固醇、磷脂質、蛋白質形成乳糜微粒（chylomicrons），進入淋巴系統，最終匯入血液循環。
  • 代謝： 胺基酸用於合成蛋白質、酵素、激素等，或在能量不足時轉化為葡萄糖或酮體供能。脂肪酸和甘油主要用於儲存能量（脂肪組織）或供能。

• 異同之處：

  • 相同之處：
    • 消化過程都涉及機械性消化（咀嚼、蠕動）和化學性消化（酵素作用）。
    • 主要消化和吸收場所都在小腸。
    • 吸收後的產物（單醣、胺基酸）最終進入門靜脈循環，運送至肝臟。
  • 不同之處：
    • 消化起始點： 麵包（碳水化合物）在口腔即開始消化；雞腿（蛋白質）在胃開始消化，脂肪則在小腸才開始主要消化。
    • 消化酵素種類： 麵包主要涉及澱粉酶、雙醣酶；雞腿涉及蛋白酶、胜肽酶、脂肪酶。
    • 吸收產物形式： 麵包消化產物為單醣；雞腿消化產物為胺基酸、脂肪酸、甘油。
    • 吸收途徑： 麵包消化產物（單醣）直接進入門靜脈；雞腿消化產物（胺基酸）進入門靜脈，而脂肪產物（乳糜微粒）則先進入淋巴系統。
    • 消化速度與吸收速度： 簡單碳水化合物（如麵包中的澱粉）消化吸收較快，能迅速提高血糖；蛋白質和脂肪消化吸收較慢，對血糖的直接影響較小，但蛋白質可經糖質新生（gluconeogenesis）間接影響血糖。

第二部分：血糖的持衡調節

當攝取麵包後，消化吸收的葡萄糖會進入血液，導致血糖升高。身體會啟動血糖調節機制，將血糖維持在正常範圍內（約 70-100 mg/dL 空腹時）。

• 血糖升高時的調節：
  • 偵測器官： 胰臟的胰島 B 細胞 (β-cells)。
  • 內泌素分泌： 胰島 B 細胞分泌胰島素 (Insulin)。
  • 作用器官與機制：
    • 肝臟： 胰島素促進肝臟將葡萄糖轉化為肝醣儲存（肝醣合成，glycogenesis），並抑制肝臟製造葡萄糖（肝醣分解，glycogenolysis；