108 高普考高考三級 生物技術 生物學 考古題詳解
第 一 題25 分
基因編輯技術 CRISPR-Cas9 被譽為現代生物學上最大的突破，請說明此技術之原理、優點及作用機制。此外，請說明此技術應用於開發農業產品之可行策略。
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核心觀念
CRISPR-Cas9 是源自細菌與古菌適應性免疫系統的基因編輯技術。CRISPR 是「規律間隔短回文重複序列」，其間隔序列源自曾入侵的病毒或質體；細胞再次遇到相同外來核酸時，可利用這些序列辨識並切割入侵核酸。Cas9 是依導引 RNA 定位的核酸內切酶，可在特定 DNA 位點造成雙股斷裂。
本題重點是說明「導引辨識、Cas9 切割、細胞修復」的流程，以及如何利用修復結果改變農作物性狀。
解題方法與作用機制
作答時依序交代「辨識標的、切割 DNA、修復產生編輯」，再將其連結到農業性狀改良策略。
- 設計導引 RNA：人工設計單一導引 RNA（single-guide RNA, sgRNA），使其中約 20 個核苷酸的導引序列與目標 DNA 互補。sgRNA 也包含與 Cas9 結合的支架序列。
- 辨識目標序列：Cas9-sgRNA 複合體先辨識目標 DNA 旁的短序列基序（protospacer adjacent motif, PAM）。常用的 Streptococcus pyogenes Cas9（SpCas9）辨識 PAM 為 ；PAM 是 Cas9 辨識與活化的重要條件，並非由 sgRNA 配對決定。
- 切割 DNA：PAM 鄰近的目標序列與 sgRNA 配對後，Cas9 的 HNH 與 RuvC 核酸酶結構域分別切割 DNA 兩股，通常在 PAM 上游數個核苷酸處形成雙股斷裂。
- 利用細胞修復完成編輯：
- 非同源末端接合（NHEJ）：直接接合斷裂端，常伴隨少量核苷酸插入或缺失（indel），可能造成移碼或破壞基因功能，適合製作基因敲除。
- 同源導引修復（HDR）：若提供含有目標修改的同源 DNA 模板，細胞可依模板修復，進行精確替換、插入或修正；在植物中 HDR 效率通常較低，實務上常需篩選適合的組織與再生條件。
因此，CRISPR-Cas9 不直接「改寫」DNA，而是由 Cas9 在導引序列指定的位置切割，再由細胞的 DNA 修復機制產生預期的序列改變。
優點
- 標的性高：更換 sgRNA 即可重新指定靶點，設計與製作相對簡便。
- 效率高、操作快速：可直接在基因組特定位點造成突變，不必先建立複雜的蛋白質辨識系統。
- 可多重編輯：同時導入多條 sgRNA，可在多個基因或位點進行編輯。
- 適用範圍廣：可用於多種生物及不同作物的基因功能研究與性狀改良。
第 二 題25 分
脊椎動物循環系統的功能之一為防禦，請問在先天性免疫（innate immunity）和後天性免疫（adaptive immunity）中，分別有哪些循環系統之成員參與？如何獨立或合作執行防禦作用？
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核心觀念
本題考脊椎動物的循環系統如何運送免疫細胞與可溶性防禦因子，並區分先天性免疫與後天性免疫的作用方式。
先天性免疫反應迅速，辨識病原體共有的特徵，包含物理與化學屏障、吞噬細胞、自然殺手細胞、補體及發炎反應等。後天性免疫具抗原專一性，主要由 B 淋巴球、T 淋巴球及抗體參與，並可形成免疫記憶。兩者並非各自封閉運作：先天免疫能啟動、引導後天免疫；後天免疫也能增強先天防禦效能。
解題方法
依序回答兩個問題即可：第一，列出循環系統中參與防禦的細胞及可溶性成分；第二，說明它們如何辨識、攻擊病原體，以及先天與後天免疫如何銜接。作答時以「成員—作用—合作」為主軸，避免只羅列細胞名稱。
詳解
一、先天性免疫的循環系統成員與作用
- 嗜中性球：由血液移行至感染或發炎部位，吞噬並殺死細菌等病原體，是急性發炎早期重要的防禦細胞。
- 單核球與巨噬細胞：單核球可由血液進入組織並分化為巨噬細胞；兩者能吞噬病原體、清除細胞碎屑，並釋放細胞激素以促進發炎與招募其他免疫細胞。巨噬細胞也能呈現抗原，連結先天與後天免疫。
- 樹突細胞：存在於組織並可由循環移動至淋巴器官；攝取病原體後處理抗原，再呈現給初始 T 細胞，是啟動後天性免疫的重要抗原呈現細胞。
- 自然殺手細胞（NK 細胞）：巡查血液與組織，辨識並殺死病毒感染細胞及部分腫瘤細胞，無須先經抗原專一性致敏。
- 嗜酸性球、嗜鹼性球與肥大細胞：嗜酸性球參與寄生蟲防禦；嗜鹼性球及組織中的肥大細胞釋放組織胺等介質，促進發炎反應，並參與過敏反應。
- 補體與其他血漿蛋白：補體可藉由調理作用促進吞噬、放大發炎，並形成膜攻擊複合體以破壞部分病原體。急性期蛋白等血漿成分也能協助辨識及清除病原體。
- 血小板：主要功能是止血與凝血；受傷時形成屏障，並能釋放促進發炎與組織修復的物質，因此也參與防禦反應。
二、後天性免疫的循環系統成員與作用
第 三 題25 分
土壤生物多樣性（soil biodiversity）係攸關陸域生態系、保育與農業的重要議題。請以分類群（taxon）為單位，列舉土壤內之生物組成及擔任之生態角色，並綜述其對生態系之效應。最後，請以土壤細菌為例，具體說明其對生態系以及植物之貢獻。
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核心觀念
本題考查土壤生物多樣性的組成、分類群的生態角色，以及土壤細菌如何維繫生態系功能並促進植物生長。作答時應由「有哪些生物」連結到「執行何種功能」，再歸納其對物質循環、土壤性質、生產力與生態穩定性的影響。
土壤生物多樣性，指生活於土壤及其根圈、枯落物等環境中的生物，在基因、物種與生態系等層次的多樣性。土壤生物涵蓋微生物、微型與大型土壤動物，也包括植物根系及部分地表動物的土壤生活階段。不同生物透過分解、捕食、共生及競爭等交互作用，形成土壤食物網。
解題方法
可依「分類群 → 代表生物 → 生態角色」逐一列舉，再把各角色統整為生態系效應。土壤細菌的部分則分成兩層：一是對土壤與生態系的作用，二是對植物的直接或間接貢獻。這樣能同時回答題目要求的生物組成、功能與效應，避免只羅列名稱。
分類群及其生態角色
| 分類群 | 代表生物 | 主要生態角色 |
|---|---|---|
| 細菌（Bacteria） | 分解菌、固氮菌、硝化菌、反硝化菌、根圈促生菌 | 分解有機物、轉化碳與氮等元素、參與養分礦化與固定；部分與植物共生或抑制病原菌。 |
| 古菌（Archaea） | 氨氧化古菌、產甲烷古菌 | 參與氮轉化及缺氧環境中的甲烷生成等過程。 |
| 真菌（Fungi） | 腐生真菌、菌根真菌、植物病原真菌 | 分解植物殘體與較難分解的有機物；菌根真菌與植物根共生，協助吸收磷、水分及其他養分；部分真菌造成植物病害。 |
| 原生生物（Protists） | 鞭毛蟲、變形蟲、纖毛蟲 | 捕食細菌與真菌，調節微生物族群；攝食後將氮等養分以較易利用的形式釋出。 |
| 線蟲（Nematodes） | 食細菌、食真菌、捕食性、植物寄生性線蟲 | 透過取食調節微生物及小型動物族群、促進養分釋放；植物寄生性線蟲則危害根系。 |
| 節肢動物（Arthropods） | 螨、跳蟲、昆蟲幼蟲、螞蟻、白蟻 | 碎化枯落物、取食真菌或其他小型動物、搬運有機物；部分種類掘穴、築巢，改變土壤孔隙與通氣。 |
| 環節動物（Annelids） | 蚯蚓 | 攝食與混合土壤及有機物，形成糞粒與孔道，改善土壤團粒結構、通氣、入滲與根系生長環境。 |
| 植物及植物根系 | 草本植物、樹木、根系 | 固定碳並供應枯落物與根系分泌物，提供土壤生物能量來源；根系穿插土壤，影響團粒、孔隙與水分利用。 |
| 脊椎動物 | 鼴鼠、田鼠等土棲或掘穴動物 | 掘穴、搬動土壤或取食土壤生物，影響土壤混合、通氣及食物網。 |
土壤生物多樣性對生態系的效應
-
分解有機物與循環養分 細菌、真菌及土壤動物共同分解枯枝落葉、動植物殘體與排遺，使有機物中的養分逐步釋出並回到土壤中，供植物及其他生物利用。
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調節碳、氮等元素循環 土壤生物參與有機碳分解、碳儲存與溫室氣體生成，也透過固氮、硝化、反硝化等過程，改變氮在土壤與大氣間的形態及流動。
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形成並維持土壤結構 菌絲、微生物分泌物、根系及蚯蚓活動等，有助於形成土壤團粒與孔隙，影響通氣、排水、保水、抗侵蝕及根系穿透。
第 四 題25 分
關於動物之氣體交換，循環系統有何貢獻？如何與呼吸系統合作？請以人體為例闡述之。此外，對於演化適應成功、物種最豐富的昆蟲類，請說明上述二系統在氣體交換上之貢獻。
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核心觀念
動物的氣體交換需要呼吸系統與循環系統合作。呼吸系統讓氧氣進入體內、二氧化碳排出體外；循環系統則把氣體交換表面取得的氧氣運送到各組織，並將組織產生的二氧化碳帶回交換表面。兩者共同維持氧氣與二氧化碳的分壓梯度，支援細胞呼吸。
解題方法
可從氣體運送的路徑作答：先說明氣體如何跨越呼吸表面，再交代循環系統如何將氣體送往或帶離組織，最後比較人體與昆蟲的運送方式。
人體：呼吸系統與循環系統合作
吸氣時，空氣經呼吸道進入肺泡。肺泡壁薄、表面積大，且周圍有密集微血管；氧氣依分壓梯度由肺泡擴散進入血液，二氧化碳則由血液擴散至肺泡，再隨呼氣排出。
血液中的氧氣主要與紅血球內的血紅素結合，由肺循環送至心臟，再經體循環運往全身組織。抵達組織後，氧氣從血液解離並擴散進入細胞，供細胞呼吸使用。細胞產生的二氧化碳擴散進入血液，主要以碳酸氫根離子形式運送，另有部分溶於血漿或與血紅素結合；血液將二氧化碳送回肺部，使其擴散進入肺泡並排出。