本關重點
- 遺傳物質是核酸：絕大多數生物以 DNA（deoxyribonucleic acid，去氧核糖核酸）儲存遺傳訊息；基因是 DNA 上帶有特定訊息的片段。
- 「DNA 是遺傳物質」不是一開始就知道的，而是靠一連串實驗逐步確認，赫希與蔡斯的噬菌體實驗是經典證據。
- 中心法則（central dogma）：DNA →（複製）→ DNA；DNA →（轉錄）→ RNA；RNA →（轉譯）→ 蛋白質。只考概念，不考機制。
- 酶名只需認得 DNA 聚合酶（DNA polymerase），它負責 DNA 複製。
- DNA 的鹼基改變（突變）可能改變蛋白質，進而改變性狀；但也可能不改變胺基酸。
- 基因轉殖（transgenic technology）：把一種生物的基因放進另一種生物並讓它表現，只需理解應用與意義。
核心觀念
1. 遺傳物質是 DNA：證據從哪裡來
1950 年代以前，很多科學家認為構造複雜的蛋白質才配當遺傳物質。改變看法的關鍵證據之一，是 1952 年赫希（Alfred Hershey）與蔡斯（Martha Chase）的實驗。他們用的是噬菌體（bacteriophage，專門感染細菌的病毒，只有蛋白質外殼包著 DNA），並以放射性同位素（能被儀器偵測的原子，像貼在分子上的追蹤標籤）分別標記蛋白質與 DNA：
| 步驟 | 做法 | 想知道什麼 |
|---|---|---|
| 標記 | 用 ³⁵S 標記噬菌體的蛋白質、³²P 標記 DNA（分兩批） | 分別追蹤蛋白質與 DNA |
| 感染 | 讓噬菌體感染大腸桿菌 | 哪一種分子進入細菌 |
| 攪拌＋離心 | 甩下附著在細菌表面的部分 | 放射性留在細菌內還是液體中 |
| 追蹤子代 | 測子代噬菌體帶有多少親代放射性 | 哪一種分子傳到下一代 |
結果：約八成的 ³⁵S 被甩到液體中，³²P 大多留在細菌內；子代帶有親代 30% 以上的 ³²P，但 ³⁵S 不到 1%。結論是：進入細菌並傳給下一代的主要是 DNA。原作者自己也提醒，不應從這個實驗做更多化學上的推論，這是「結論只說到資料範圍」的好示範。
2. DNA 怎麼「寫」訊息
DNA 由許多核苷酸（nucleotide）連成長鏈，每個核苷酸帶有一種鹼基：A、T、C、G。兩股 DNA 的鹼基依 A 配 T、C 配 G 配對。遺傳訊息就藏在鹼基的排列順序裡，就像 4 個字母寫成的長篇文章。人類一套基因體約有 30 億個鹼基對。
3. 中心法則：訊息怎麼「讀」
| 過程 | 模板 → 產物 | 真核細胞中發生的位置 | 一句話 |
|---|---|---|---|
| 複製（replication） | DNA → DNA | 細胞核 | 細胞分裂前把整份訊息抄一份，靠 DNA 聚合酶 |
| 轉錄（transcription） | DNA → RNA | 細胞核 | 把需要的基因抄成 mRNA（信使 RNA） |
| 轉譯（translation） | mRNA → 蛋白質 | 細胞質中的核糖體 | 依 mRNA 上的鹼基順序串起胺基酸 |
延伸補充（非學測範圍，課綱沒有「密碼子」一詞）：mRNA 上每 3 個相鄰鹼基稱為一個密碼子（codon），對應一種胺基酸。學測若要用到密碼子對應的胺基酸，題目會給定義與對照表，不必背。
4. 突變：訊息寫錯了一個字
DNA 上的鹼基改變稱為突變（mutation）。例如鐮形血球貧血症：HBB 基因的一個鹼基被替換，使血紅素 β 鏈第 6 個胺基酸由麩胺酸變成纈胺酸，血紅素的性質因此改變。但要注意：
- 有些鹼基改變後，新的密碼子仍對應同一種胺基酸，蛋白質不變。
- 突變發生在 DNA 上；mRNA 只是忠實反映 DNA 的改變。
- 性狀也受環境影響（同一性狀有不同表徵），基因不是唯一因素。
5. DNA 粗萃取
| 步驟 | 目的 |
|---|---|
| 搗碎材料（香蕉、草莓、花椰菜） | 打散組織、增加接觸面積 |
| 加清潔劑＋食鹽溶液 | 清潔劑破壞細胞膜與核膜，讓 DNA 釋放出來 |
| 過濾 | 除去殘渣 |
| 沿杯壁倒入冰酒精 | DNA 不易溶於酒精而析出成白色絲狀物 |
6. 基因轉殖：把訊息搬到別的生物
因為細菌、植物、動物大致共用同一套遺傳密碼，把某段基因放進另一種生物，往往也能製造出相同的蛋白質。應用例子：
- 以基因轉殖細菌生產人類胰島素（1980 年代起）。
- 黃金米：轉入玉米與土壤細菌的基因，使米粒能合成 β-胡蘿蔔素。
- 抗蟲作物、會發螢光的觀賞魚。
學測只要求「知道能做什麼、為什麼可行」，重組 DNA 的細部步驟與所用的其他酶不在必修範圍。
素養怎麼考
- 科學史實驗判讀：給你經典實驗的設計與數據（例如噬菌體、肺炎鏈球菌轉形），問哪一組是對照、結論能推到哪裡。最常考「過度推論」：一種病毒的結果不能推到所有生物。
- 圖表與數量級：例如定序成本的對數圖，考你看懂「每格乘以 10」。
- 給表推論：題目提供密碼子表或序列，要你推出胺基酸改變，或判斷突變是否影響蛋白質。
- 時事包裝：mRNA 疫苗、基改作物標示、黃金米。考點回到中心法則與基因轉殖的意義，並常夾一個「吃下基改食物會改變人類基因」之類的迷思選項。
真題考法對照（111–115 學測）
- 115 學年度學測第 37–38 題：巴西龜的性別由孵化溫度決定，文本描述兩個基因如何互相影響表現。題目考：基因存在於雌雄全身細胞、只是表現與否不同；轉錄在細胞核、轉譯在細胞質；再用示意圖預測抑制某基因後的結果。本關第 9 題（螢光斑馬魚）練的是同一組觀念。
- 114 學年度學測第 37–39 題：虱目魚耐寒與某基因的 mRNA 量（以管家基因校正），重點是分辨「可能有關」和「必要」這類過度推論，以及「單一基因可能影響多個性狀」。
- 114 學年度學測第 9 題、113 學年度學測第 5 題：用諾貝爾獎研究（microRNA、mRNA 疫苗的修飾鹼基）包裝，考的仍是 RNA 的角色與中心法則。
- 112 學年度學測第 10–11 題：五張長條圖選一張能支持「某病毒基因幫助病毒存活」的結果——先決定要看哪個應變變因、比哪兩組。
- 111 學年度學測第 23 題：基因轉殖鮭魚在兩種水質中的體長表格，判斷環境與轉殖基因各自的影響。
- 115 學年度學測第 33 題：DNA 粗萃取後的白色絲狀物，問後續處理的合理結果（例如水解後得到核苷酸）。
解題技巧
- 先把實驗寫成「操縱什麼 → 測量什麼」：噬菌體實驗中，操縱的是標記哪一種分子，測量的是放射性的位置。
- 中心法則畫箭頭：遇到 DNA、RNA、蛋白質的敘述，先在草稿紙寫 DNA → RNA → 蛋白質，檢查選項的方向與步驟有沒有跳過或顛倒。
- 密碼子題逐格對表：一個密碼子 = 3 個鹼基，先找出改變的是哪一格，再查表看胺基酸有沒有變。
- 對數圖先看格線代表幾倍，比較兩點時用除法算倍數，不要用減法。
- 看到「證明」「所有」「完全」立刻警覺，回頭找數據是否真的涵蓋那麼廣。
常見陷阱
- 以為 mRNA 改變就是「轉譯出錯」：mRNA 由 DNA 轉錄而來，改變源頭在 DNA。
- 以為蛋白質可以自己複製：只有 DNA 能被複製，蛋白質要依 mRNA 合成。
- 把赫希與蔡斯的結果說成「證明所有生物的遺傳物質都是 DNA」：有些病毒的遺傳物質是 RNA。
- 以為轉殖後生物的 DNA 沒變、只是性狀變了：性狀改變正是因為 DNA 加入了新基因。
- 以為吃下含某基因的食物，那個基因會進入自己的細胞：食物中的 DNA 會在消化道被分解。
- 在必修題目中硬套解旋酶、連接酶等酶名：除了 DNA 聚合酶，其他酶名不在必修，題目若用到一定會解釋。
BOSS 戰
BOSS 戰：密碼子亂碼蟲
DNA、中心法則與基因轉殖 擋住了去路！共 9 題。
計時從進入每題開始，看詳解時暫停；同分比時間。
延伸閱讀與資料來源
- Hershey & Chase (1952) Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage, J Gen Physiol（CC BY-NC-SA，PMC 免費全文）
- Our World in Data：定序一個完整人類基因體的成本（CC BY 4.0；原始資料 NHGRI）
- MedlinePlus Genetics：HBB gene（美國國家醫學圖書館，公有領域）
- Wikipedia：Golden rice（CC BY-SA 4.0）
- Wikipedia：Insulin (medication)（CC BY-SA 4.0；基因轉殖胰島素的歷史）
- 十二年國教課綱 自然科學領域（政府公開課綱文件；學習內容說明界定本章深度）