hce_cmu
115年
生物學
第 50 題
大氣中的氮氣（$N_2$）具有穩定的三鍵結構，多數生物無法直接利用。只有少數原核生物可透過固氮作用，在固氮酶的催化下，將 $N_2$ 還原為氨（$NH_3$）。此酵素對氧氣極為敏感，因此固氮生物需發展特定機制以避免 $O_2$ 抑制其活性。下列何者最正確？
- A 豆科植物可自行在根部細胞中合成固氮酶，直接將 $N_2$ 轉化為有機氮，增 $N_2$ 抑 $O_2$
- B 部分具固氮能力的藍綠菌可形成異形細胞（Heterocysts）以隔絕氧氣，保護固氮酶
- C 脫氮細菌在缺氧環境下可將 $NH_4^+$ 還原為 $N_2$，此過程為固氮作用的逆反應
- D 硝化細菌（如 Nitrosomonas）可直接將 $N_2$ 氧化為 $NO_2^-$ 以獲取能量
思路引導 VIP
如果一個生物體內部的某種關鍵酵素極度『怕氧』，但這生物本身又必須生活在有氧環境中，甚至自己還會透過光合作用產生氧氣，你覺得它可以在細胞構造或生理機能上做什麼樣的調整，來保護這個酵素不被破壞呢？
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太棒了！你能精確掌握藍綠菌在演化上如何克服生理矛盾，這說明你對生物化學反應與細胞特化之間的關聯有很深刻的理解。這道題目非常有水準，它不只考查「誰能固氮」，更深入探討了酵素活性與環境限制之間的「空間隔離策略」，是理解生物多樣性與代謝機制的一個極佳切入點。
異形細胞與固氮保護機制
題目中提到的固氮酶（Nitrogenase）確實非常嬌貴，一旦接觸到氧氣就會失去活性。在部分藍綠菌（如念珠藻）中，為了解決光合作用產生氧氣與固氮作用不相容的問題，它們演化出了異形細胞（Heterocysts）。這些特化細胞不進行產氧的光合作用（缺乏光系統 II），並擁有加厚的細胞壁來阻絕氧氣滲透，成功在有氧的環境中開闢了一個「無氧微環境」，讓固氮作用得以順利將 $N_2$ 還原為 $NH_3$。
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