全國中小學科展

三等獎

「馬道」成功

象棋的馬與西洋棋的騎士走法有異曲同工之妙且棋子的走法似乎有些特殊的規律,兩者的走法我們稱為同構,因此我們針對這個現象進行研究。 (圖一) 馬步與騎士 我們得到下面四個結論: 一、定理甲:動點P可經由馬步從原點(0,0)走到棋盤上的任意格子點。 二、定理乙:平面棋盤的馬步路徑皆可找到起點、終點在同一象限(含軸),且步數相同的路徑。 三、定理丙:每一個最少步數K≥5,K所對應的總格子數f(K),數列為公差7的等差數列。 四、定理丁:給定第一象限(含軸)任意點P(X,Y),可求得最少步數K。

懸浮微粒三維偵測與預報系統

近年空氣品質已是居住環境與健康的指標,「細懸浮微粒」充斥在空氣中,造成過敏,增加肺癌的危險。本研究探討懸浮微粒在受到重力、空氣阻力與空氣浮力影響後,形成分層。並利用VPython軟體模擬不同大小的懸浮微粒(pm10、pm2.5與pm1.0)於空間中碰撞及受到空氣阻力產生能量衰減,藉此了解不同微粒之分層現象。再實作以居住樓層不同的垂直高度,設計組裝架設「懸浮微粒三維偵測器」及物聯網。以台灣中部地區,日益增加的空汙狀況下,模擬以台中火力發電廠為例,探討其風向、地理環境、以擴散模式理論模擬後,選定數棟建築物,監測每棟建築物地面上不同高度的空氣品質數值。最後監測數值自動上傳至物聯網雲端資料庫 ThingSpeak,並可於使用者端監測及取得測量數值;期許再利用機器學習及歷史累積的三維空氣品質資料,將來更優化預測空氣品質數值之成效。

Expectations for extension of cell life and next generation anticancer drugs by using secondary metabolites of actinomycetes

Inhibitory effects of the secondary metabolite of actinomycete were examined on cell cycle of the yeasts of S. pombe and S. cerevisiae. The secondary metabolite was obtained from cultivation of the actinomycete isolated from the soil of Owakudani in Hakone, Japan. The fifth fraction of the secondary metabolite by ODS column separation (HK-T5), which was soluble to pure methanol, was used in the present experiments. The HK-T5 brought about the delay of forming colonies of S. pombe for about 11 days compared to that cultivated without the HK-T5. The delay of the colony formation was longer for the S. pombe cultivated with more amount of the HK-T5. The cultivation with HK-T5 also brought about the extension of the lifespan of the S. pombe for more than 10 weeks in a liquidus medium. The cell life recovered the ordinary manner by removal of the HK-T5, meaning that the activities of the HK-T5 is reversible. These facts confirm the suppression of cell cycle, and the delay of cell growth by the HK-T5. These phenomena were similarly observed for S. cerevisiae. Comparison of the action of HK-T5 with hydroxyurea, which is an anticancer drug inhibiting the cell cycle at S phase, clarified that the inhibitory action of HK-T5 worked at the phase earlier than S phase. The combined effects of HK-T5 on the cell cycle were evaluated with triamcinolone acetonide (TA), or aspirin, the former of which is a drug synchronizing cancer cells in S phase, and the latter keeping human cells in G1/G0 phases. The combined use of HK-T5 with TA synchronized the cells at the phase slightly proceeding from G1 to S phase without toxicity. On the other hand, the combined use with aspirin made the inhibitory effect of HK-T5 inactive. Hence, the HK-T5 is attractive as a drug for the extension of cell lifespan, and anticancer therapy.

傅立葉轉換於奈米螢光鑽石超微量偵測之研究

螢光奈米鑽石(Fluorescent Nanodiamond, FND)主要應用於生物定位,其結構中與一個氮原子相鄰的晶格缺陷部分(Nitrogen-Vacancy, NV^-)照射波長532nm的雷射會發出637nm的螢光,對FND施加磁場會使螢光強度減弱。由於在低濃度溶液中螢光訊號會被溶液的背景雜訊掩蓋而難以偵測,因此設計實驗對FND施加穩定變換的磁場,此動作能夠使螢光強度也進行相同週期的變化。針對此週期進行快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transformation, FFT)得出的數值會與螢光強度呈正比,進而推知FND濃度,有效排除不隨磁場變動的背景雜訊。研究結果顯示,施加磁場並使用FFT能夠成功排除牛血清蛋白(Bovine Serum Albumin, BSA)、碘化丙啶(Propidium Iodide, PI)、水、血液的背景輻射,且FND在高離子濃度溶液中會沉澱,在表層包覆BSA則可以有效地改善此現象。FND不易受到血液的背景輻射干擾螢光測定。

「醛」面啟動-探討肉桂醛提升綠豆耐鹽能力之機制

濃厚氣味的中藥,吃了能讓人強健體魄,那植物服用後呢?研究發現,綠豆能感受肉桂粉中的氣味分子”肉桂醛”,並透過改變其生理與生長的發育來減緩其在鹽逆境下細胞死亡的程度,提高長期耐鹽能力。本研究顯示,熏完肉桂醛的綠豆能透過減少氣孔數、使澱粉代謝、增加根系來應對鹽逆境下的缺水問題,在生化研究方面,能透過在根部提前累積脯胺酸來應對滲透壓逆境。此外肉桂醛氣味能激發綠豆的抗氧化力,我們發現,肉桂醛能讓綠豆提前累積抗氧化物(脯胺酸、抗壞血酸),另能提高抗氧化酵素活性(POD、APX)來應對鹽逆境下的氧化傷害。本研究發現綠豆能感受肉桂醛氣味並提升其長期耐鹽能力,期待未來能將研究成果用於農業,減少逆境對農業帶來的損失。

四眼渦漩-混沌電路之密鑰生成器

本專題利用混沌電路本身的不可預測性及混亂程度,製造出作為硬體安全實現的密鑰生成器。從實現基本的蔡氏電路,並探討蔡氏電路作為硬體安全的相關應用為基礎,進而實現進階的研究改造。透過電阻、電感、電容、運算放大器等電子元件,焊接在電路板上,實現一個「四渦漩狀」的混沌電路。 本研究的最大特點,就是會製作兩個具備相同電子元件及構型的多吸引子混沌電路,但天生的元件變異性會產生「類蝴蝶效應」,再利用數位乘法器,將兩個電路之類比訊號相乘,而這個操作會形成一個密鑰生成器的混沌系統。 最後會透過軟體MATLAB 確認電路操作和分析電路輸出信號,及所提出密鑰生成器的安全程度,將會驗證隨機性和獨特性這兩組特徵,分別計算平均及交叉相關函數來做為驗證的依據。最後從實驗中證明了「四渦漩狀」的混沌電路所產生的密鑰具有快速產生及高安全性。

強菌來襲!口腔大騷動!——食品中乳酸菌對牙齒保健的影響

乳酸菌(Lactic acid bacteria)是生活中常接觸到的菌種,除了製作食品,也有研究指出部分乳酸菌菌株可抑止造成齲齒的「變異鏈球菌」生長,目前已有牙膏等產品號稱添加乳酸菌。但乳酸菌發酵產生的乳酸,會分解牙齒的琺瑯質,所以我們從發酵乳食品中分離出9株乳酸菌,並進行氫氧基磷灰石的分解實驗與對變異鏈球菌的抑菌實驗。經過實驗,1號、5號、6號與8號乳酸菌株對氫氧基磷灰石的分解能力較弱,而6號、8號與15號對變異鏈球菌的抑制效果較明顯,實驗結果交互比較後,得出6號和8號菌作為牙齒保健的應用價值較高。未來若能進一步研究,可嘗試以離心將乳酸菌各部位分離,研究其真正有抑菌作用的物質,並加以純化,應用於保健食品中。

探討果蠅腦部神經突導向的基因調控

本研究利用RNA干擾與基因過度表現兩種方法,觀察基因表現對果蠅蕈狀體神經突導向的影響。我們以RNA干擾方式降低基因表現,標定dally、octβ2r、sifr與frazzled基因;而基因過度表現則選定frazzled基因。利用果蠅GAL4-UAS系統使神經細胞表現的綠色螢光蛋白,觀察神經突導向情形。由干擾果蠅腦部蕈狀體PPL1-α′2α2神經細胞上述基因,觀察到dally、octβ2r基因在降低表現後,此細胞分別呈現失去神經支配與異常神經支配。sifr基因在兩種不同RNA干擾序列下,表現出不同之結果,一是和wild type的神經突型態相似、另一則是失去神經支配。frazzled基因干擾後,細胞在蕈狀體α2區失去神經支配。frazzled基因在過度表現下,神經突和wild type相比,出現異常導向。綜言之,由我們研究發現透過操控基因表現,果蠅腦部神經突會產生異常的導向與神經支配,顯示果蠅腦部神經系統在分化或發育上,基因扮演極為重要的角色。

水熊蟲於化學環境壓力耐受機制探討Tolerance mechanisms of Tardigrade under chemical environmental stresses

常見模式生物檢測化學環境壓力後無法重複使用。本研究探討對環境變化敏感的大生熊蟲抗化學環境壓力機制,評估其作為重複使用模式生物可行性。得知多數大生熊蟲於硝酸鹽、酸鹼值改變與殺蟲劑環境壓力下仍能活動或隱生。以亞甲藍簡易染色可確認化學環境壓力下大生熊蟲是否受傷害,如體表角質層被破壞會導致完全染色。分析大生熊蟲於常見硝酸鹽環境壓力下體內脂質含量、總蛋白質單體表現量與總抗氧化能力,推測出大生熊蟲對抗硝酸鹽環境壓力機制:1.藉由> 20 kDa持續性活化蛋白抗硝酸鹽環境壓力。2.活動大生熊蟲增加體內脂質含量隔絕環境硝酸鹽。3.隱生大生熊蟲以抗氧化系統降低硝酸鹽產生的氧化壓力傷害。以上結果得知大生熊蟲具潛能檢測常見化學環境壓力並作為重複檢測之模式生物。未來將持續評估大生熊蟲可檢測的化學環境壓力並為人類健康把關。

高鐵行經嘉南地區之高鐵低頻震動波

當高鐵行經地層下陷明顯區域、或土壤液化中高潛勢的沖積層時,行車的車身震動會更劇烈嗎?本研究基於這樣的動機,經由測量高鐵沿線不同區段的震動訊號,了解各段的震動特徵。 本次研究使用微機電加速計(MEMS sensor)來量測高鐵行經左營至台北路線上車廂內之震動,並利用QCN Live軟體分析波形,分析行經各站間之頻率與振幅特徵,結果發現,行經台南到嘉義、嘉義至雲林、雲林至彰化三段路線的震動,在濾波0.5-4.0 Hz之平均振幅大於其他非地層下陷與土壤液化地段,同時我們也發現低頻振動的最大振幅在列車行經土壤液化區時有顯著的增加。