全國中小學科展

2020年

蚜蚜學泳–睡蓮蚜適應水上生活的機制

睡蓮蚜是一種生活在水域環境的蚜蟲,而本研究證實:此種蚜蟲對水源和水中浮萍具有偏好性,並在水中具有勝過陸生黑豆蚜和玉米蚜的求生能力和登陸能力。睡蓮蚜的這些能力源自其異於其他蚜蟲的構造:較輕的質量和較長的腳使其能夠憑藉表面張力於水上站立和移動,並且在登岸時可以產生物理中的Cheerios Effect快速吸附陸地,水中生活的機動性因而極高。另外,睡蓮蚜的腳有彎曲的特徵,加強Cheerios Effect 的效應,加強登岸能力。睡蓮蚜的腹面氣孔亦有朝兩側生長的現象,以適應水上腹面經常碰觸水面的生活。

大姬蛛不規則網之拓撲探究

蜘蛛網在生態學上最成功的在於出色的力學性能、強度、韌性、彈性和堅固性。蜘蛛網的結構從序列設計到蛛網架構都是屬於分層結構。因應不同環境,蜘蛛因環境變化調整蜘蛛網架構。利用GeoGebra軟體分析大姬蛛三維(3D)立體不規則網及拓撲學結構,並以數學幾何方式繪製出蛛網立體架構。 蛛網架構分為:主網、立體次級架構、牽引絲及支架。結網的過程為:牽引絲→主網→次級架構→支架。依照環境不同,蛛網類型區分為三角體、輻射型及吊帶型。蛛網的穩固性:輻射型(n=11)>三角體型(n=9)>吊帶型(n=8)。內部的主網分成12種拓撲學形狀,其中以稜椎體(29%)比例為最高。依網高指數及支架的有無,蛛網的結網方式:包覆式、紮營式以及倚靠式結法。網的功能依照蛛網上的卵囊有無做為區分,有卵囊蛛網為保護功能,無則為獵食功能。設計的三種環境實驗箱,都結出相對應的蛛網類型。

吹氣致冷現象的機制探討

人們在日常生活中總會察覺,當以嘴巴對著皮膚快速吹氣時,皮膚表面會覺涼涼的;但若是張口緩緩哈氣,則皮膚表面卻會感覺溫熱。為了量化這個現象的成因,作者先以口腔實際吹氣來進行初步的測量與研究,接著以自製器材模擬口腔吹氣的情況來操作實驗。我們探討了吹氣時不同的出口風速、不同的口腔氣溫及環境溫度的條件之下,目標物表面的溫度變化。這個現象會涉及氣體的膨脹降溫,以及氣流抵達目標物之前與環境中空氣的混合效應;最後還測量了吹氣時目標物上含水量減少的蒸發降溫幅度。本實驗提供了大量的實驗數據,明確且定量的證明了上述吹氣致冷的主要成因就是「氣流引入」效應,當口腔與手心相距10公分快速吹氣時,抵達手心的氣體中約有95%是環境中原本的空氣,所以皮膚才會感覺冰涼,而「絕熱膨脹」及「蒸發降溫」的影響則都比預期中小了很多。

台灣萍蓬草兩型葉發育與植物激素ABA與GA關係之研究

台灣萍蓬草為台灣原生種水生植物,其葉片因應環境變化改變型態的現象稱為兩型葉(heterophylly leaves),本研究旨在探究此植物的兩型葉性質差異與演化脈絡。我們比較野生型與實驗室培養的台灣萍蓬草兩型葉間形態與生理差異,而後對其外加植物激素,比較不同刺激下葉片之生成形態。 我們發現台灣萍蓬草水上與水下葉為了適應不同的環境,發展出許多不同的特性。接著藉由實驗我們得知水上葉的內生ABA含量較水下葉高。在外加激素實驗中,我們發現在其他植物常呈拮抗的GA與ABA,對台灣萍蓬草的影響為:外加兩種激素後生長出來的葉片構造皆趨近於水下葉,而外加兩種激素雖皆會抑制葉片中的葉綠素a含量,但並未趨近水上葉或水下葉。 過去的論文顯示,水生植物並非在水中獨立演化,而是在水陸之間多次交替演化,我們期望以台灣萍蓬草於Nuphar屬之特性,並透過兩型葉作為種屬特異性的比較工具,進一步了解這段演化過程。

PP5-AMPK Pathway mediates Palbociclib-induced Cell Death in Lung Cancer

肺癌是目前全世界首要致死的癌症。雖然現有的標靶治療與免疫療法已經改善某些病患的情況,但有許多病患仍無有效治療方法。因此,我們急需探求新的藥物治療方法來改善肺癌治療的成效。 在此我們選擇一個新標靶藥物Palbociclib來進行研究,Palbociclib 是剛核准的乳癌藥物,主要是藉由抑制CDK4/6來延緩乳癌生長。我們發現Palbociclib能有效地抑制肺癌細胞株的生長和死亡。特別的是,Palbociclib不僅誘發肺癌細胞凋亡(apoptosis),亦誘發肺癌細胞自噬死亡(Autophagy)。因為AMPK能同時影響細胞凋亡與自噬死亡,我們進一步研究AMPK在Palbociclib誘發癌細胞死亡中的角色,發現Palbociclib主要是藉由抑制去磷酸酶PP5的活性,來增加AMPK的磷酸化,進而活化AMPK,誘發肺癌細胞產生凋亡與自噬。這些藥效原非抑制CDK4/6會產生的作用,我們發現Palbociclib藉由調控PP5-AMPK路徑以誘發細胞死亡。希望這些研究結果能幫助肺癌的臨床研究,以造福病患。

殊途同歸—無既定模式中英文混合輸入

本研究旨在設計一個使用模式,以不切換中、英文輸入法打字的原則之下,能夠完整的自動辨識出一個包含中文(注音、嘸蝦米、倉頡)與英文完整句子。經實測結果,正確率達到94.23%以上。

製備超疏水性修飾石墨烯海綿應用於廢油回收

本研究使用聚胺基甲酸酯海綿為基材,藉由在表面吸附石墨烯材料使海綿具有超疏水性,使其能從水中有效分離出油類,達到油水分離的效果。我們研究出簡易自製氧化石墨烯的方法,並使用自創的照紫外光乙醇法將其還原成還原氧化石墨烯,接著吸附在海綿上,再使用十三氟辛基三乙氧基矽烷修飾石墨烯海綿,使其鍵結上具有超疏水性官能基。藉由測量海綿表面與水珠間的接觸角,我們找出了製做超疏水性海綿的最佳條件,最終完成了矽烷修飾還原氧化石墨烯聚胺基甲酸酯海綿(FS-rGO-PU Sponge)。 本研究超疏水性海綿的製程簡易、成本低且符合綠色化學,同時具有單位體積吸油量大,可多次重複使用等優點,我們除了測試其對食用油、礦物油的回收能力,並製作成可連續分離油水的裝置,可應用在工業、家庭廢油及海上油汙的回收,甚至可做為空氣清淨機或排油煙機的濾網。

水力懸浮運動及其特殊進動現象之研究

觀察到圓球及圓盤在水柱上懸浮(Hydrodynamic Levitation)之特殊情形,本研究探討此現象並提出相關解釋。經由實驗發現圓球放置高度並不會影響其最終平衡高度,而水柱高度與圓球平衡高度則呈線性關係;水柱流量愈低,不同於我們實驗前所想像的,其最終能平衡的水柱傾斜角度反而越大;隨水柱傾斜角度愈大,平衡高度即隨之增高;圓盤轉速與水柱切線速度大致相同,透過此結果,我們推論出造成此現象的主要原因,是因附著於圓球上的水對其產生的附著力,而與一般人猜測的康達效應(Coanda Effect)較無關連,我們從而深入分析此現象的細節,並得出一些意想不到的結果。本研究中,最為特別的是,實驗中遇到的奇特進動現象,看似複雜、無規律的運動,我們透過高速攝影機,深入觀察此一系列特殊的進動,竟發現其中規律的運動規則,所以我們進而推論其力學特性,藉以解釋此現象形成原因。

正三角形的最小拼接

眾所周知,「如何使用三種不同邊長的正三角形,去拼出邊長最小的正三角形?」這個問題是困難的。本文限縮在分層或拼接的拼法下,探討此問題,並得到了答案。解決過程中牽涉到正整數解的存在性問題──如何找最小的正整數z,使得方程式ax+by=cz有正整數解,其中a、b、c為三種正三角形的邊長。

臺灣極端寒流個案與東亞地區冬季氣候之關聯

本研究定義1967~2016年的極端寒流並將其分成1985前與1986後兩個時期,進行前後期寒流個案合成之綜觀環境場的比較,得知前後期確實有所不同,且以天為單位,後期寒流及非寒流差異較不明顯,推測需要更長時間尺度才能凸顯差異。再以臺北冬溫與世界冬季的溫度、風場做相關性分析,發現緯向風的蒙古地區,在前後期正相關性都相對明顯;經向風則是西伯利亞西部的負相關在前後期皆較明顯。因此,我們分別取蒙古緯向風及西伯利亞經向風以月為單位做不同季節延遲、同步及領先的迴歸分析,並發現與臺北冬溫相關性最高者,分別為蒙古冬季同步緯向風,及西伯利亞春季領先2經向風。最後為了驗證,再將此二風場1967~2016年的數據分為寒流、非寒流期間及全部數據進行比較,觀察同個月份在寒流及非寒流期間與平均值的差別,也探討這些差異與臺北冬溫三個月份間的差異有何異同,結果證實寒流及非寒流大多具有明顯不同。