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簽訂蒙特婁議定書|科學史上的今天:9/16

張瑞棋_96
・2015/09/16 ・950字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

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地球大氣層中,距離海平面50公里以下,8~18公里以上叫平流層。平流層中的氧氣因為紫外線的作用,會形成氧原子(O)、氧分子(O2)與臭氧(O3)三種形態。在平流層的下半部,大約20到30公里這個範圍的臭氧濃度特別高,就稱為臭氧層。

臭氧層會吸收波長200到310奈米的紫外線,避免生物受到傷害,可說是保護我們的重要防線。然而,1974年6月號的《自然》期刊登了一篇由美國化學家羅蘭(Frank S. Rowland, 1927-2012)與墨西哥化學家莫里拉(Mario J. Molina, 1943- )所寫的論文,他們認為人造的氟氯碳化物(CFC)會嚴重破壞臭氧層。

CFC一開始就是為了做為汽車而研發的;1930年由美國杜邦公司與通用汽車合資成立的動力化學公司(Kinetic Chemicals)開始生產製造。CFC具有化學性質穩定、低毒性、不自燃、不助燃等特性,所以除了冷凍空調冷媒,也被用於噴霧推進劑、塑膠泡棉、滅火劑、電子零件的清潔劑,很快在全世界被大量使用。

但也因為CFC相當穩定,將近百年才會自行分解,因此一旦釋放至空氣中,就會穩定存在,一直到進入平流層後,在紫外線照射下釋出氯離子,與臭氧產生化學作用,因而大量消耗臭氧,破壞臭氧層。

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CFC的相關企業紛紛反彈,杜邦公司董事長就憤而指責這篇論文是「科幻故事,一派胡言」。不過美國國家科學院於1976年即證實了羅蘭與莫里拉的假說,美國政府於1978年禁止噴霧劑使用CFC,但並未限制做為冷媒與溶劑使用。直到1985年,南極科學家發表報告,指稱南極上空的臭氧層破洞比預估大很多,並經衛星觀測確認後,世界各國才驚覺事態嚴重。

1987年9月16日,46個國家在加拿大簽訂「蒙特婁破壞臭氧層物質管制議定書」,訂定時程,逐步全面禁止使用CFC;之後又納入其它類似作用的物質。1995年,羅蘭、莫里拉,與率先提出一氧化氮破壞臭氧層之機制的荷蘭大氣化學家克魯岑(Paul J. Crutzen, 1933-)三人共同獲頒諾貝爾化學獎。

簽訂蒙特婁議定書的執行相當徹底,堪稱有史以來最成功的全球公約之一。雖然2014年的觀測發現南極臭氧層破洞仍有北美洲那麼大,但科學家證實臭氧層正在緩慢復原中;而這也提醒我們,人類一旦對大自然造成破壞,就無法輕易彌補了。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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讓地球大氣層充滿氧氣的星球改造神器:藍綠菌──《藻的秘密》
臉譜出版_96
・2020/01/14 ・3382字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

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  • 作者/茹絲.卡辛吉;譯者/鄧子衿

想回到 37 億年前,你可能需要先準備好「氧氣裝備」!

想像你自己來到三十七億年前的地球,在地球從宇宙塵埃聚集成行星之後,已經過了約七億五千萬年。

你站在一座岩石火山島上,往四面八方望去,只見富含鐵質的綠色海水延伸到地平線那端。你所在的這座島嶼上沒有植物,也沒有可供植物生長的土壤。因為土壤中含有植物被分解之後產生的有機成分,然而在三十億年前,地球上還沒有植物。

戴上裝備,出發!圖/pixabay

你可能要像是水肺潛水者那樣攜帶氧氣裝備,因為那個時候的地球上沒有氧氣。事實上,你周圍的大氣是由一氧化碳、二氧化碳和甲烷混合而成,其中可能還有氫氣、氮氣和二氧化硫,或許會致人於死,不過至少溫度是宜人的。

雖然當時太陽的亮度只有現在的七成,但是有二氧化碳和甲烷為地球表面保溫。當時地球自轉的速度是現在的兩倍,所以日出之後六小時就日落,這可能會讓你驚慌失措。

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那時候月球和地球的距離是現在的十分之一,讓月球看起來有十倍大,在天空中非常明亮。由於距離地球很近,月球造成的重力效應也很強,海面漲落潮差超過數百呎。你或許可以看到月球上的隕石坑,不過可能得看日子。

當時地球上的火山活動比現在活躍,經常會噴出火山灰和硫酸到大氣中。在清晨與落日時分,天空會呈現黃色和橘紅色。

37 億年前的地球沒有臭氧層,那還有生命存在嗎?

當時地球上的海水量是現在的兩倍,但是水分子一個個消失了,因為大氣中沒有氧氣,也就沒有臭氧層。

曾經有水的金星,現在乾燥無比。圖/wikimedia

在沒有臭氧層的狀況下,來自太陽的大批紫外線能毫不受阻攔地轟炸水,讓水分子分解成氫和氧。比較輕的氫原子很快地逸散到太空中,氧原子則馬上和水中的礦物質結合。在沒有臭氧層的狀況下,地球會朝著毫無生機的狀況進展。金星的命運便是如此,曾經有水的金星,現在乾燥無比。

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不過這時候的地球有海洋,海洋中棲息著單細胞細菌,以及類似細菌的單細胞生物—古菌(archaea)。這些微生物和其他所有生物一樣,都需要能量才能運作,以及製造更多細胞的組成成分,以便分裂複製。

它們的細胞壁堅硬,因此不可能經由掠食其他同類來得到能量。不過它們可以把細胞壁外的硫化氫吸收到細胞內,經由化學反應讓硫化氫的電子釋放出來,再利用這些電子合成暫時儲存能量的分子 ATP(三磷酸腺苷)。細胞利用 ATP 和溶解在水中的二氧化碳合成有機化合物,包括生長和生殖所需要的胺基酸、蛋白質、脂質和醣類。

現在地球上依然有許多這類化學自營生物(chemoautotroph),它們生活在海底熱泉,或是黃石國家公園充滿硫的熱泉等這些極端的環境中。但是差不多在你拜訪古代地球的時候(或是前後一兩億年),一種新的細菌在太陽下演化出來了。

黃石國家公園中的大稜鏡溫泉,有些藻類會生長在這樣極端的環境中。圖/wikimedia

這種細菌漂浮在海面下附近,因為含有葉綠素和其他色素而呈現藍綠色。這些色素能吸收含有太陽能量的光子。藍綠菌用這些能量把水分解成氫和氧,產生電子,製造 ATP。然後它們就和化學自營生物一樣,利用 ATP 合成有機化合物,這個過程稱為光合作用。藍綠菌把氧氣當成廢棄物排出, 因此這過程稱為產氧型光合作用(oxygenic photosynthesis)。這是非常複雜的過程,就連今日的科學家依然還沒有解開這個機制的細節。

藍綠菌具備的功能讓它們繁榮昌盛。古菌和其他細菌只是到處飄盪,企盼能遇到它們各自喜愛的化學食物,但是這種新出現的生物並不是分解水中偶然才能遇到的成分,而是分解無所不在的水分子。藍綠菌只要在有陽光的狀況下就能進食,因此繁殖的速度非常快,而且持續產出氧氣。(在二十億年中)這些氧氣飄到大氣中,形成具有保護作用的臭氧層,讓我們的藍色行星免於籠罩於沉沉死氣之中。1

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藍綠菌和閃電竟然也有共通之處?!

如果這還不夠厲害,有些藍綠菌種類還有比舞動它們的藍綠色身段更厲害的技術。

地球上的生物需要氮,DNA、ATP、蛋白質和其他生物所必須的化合物中都含有氮原子。地球大氣中一直有很多氮氣,但是氮氣(N2)中的氮原子彼此結合得很緊密,生物無法直接運用。而閃電的電壓高達一億伏特,這等或是更高的能量能夠打破氮氣分子,讓個別的氮原子和氫或氧結合,形成氨、銨鹽(ammonium)或硝酸鹽等把氮固定起來的分子。

閃電可以固氮,但是如果生命只能依靠閃電,就永遠無法登上陸地了。圖/pixabay

但是棘手的地方在於閃電雖然壯觀,卻無法大量產生這類分子。如果生命只能依靠閃電,就永遠無法登上陸地。正當此時,藍綠菌登場了。它們能做到和閃電一模一樣的事,只不過是在微生物的尺度下。

藍綠菌成為地球上主要的固氮生物(diazotroph)。幸好藍綠菌樂於分享,它所固定下來的氮有一半會排入水中,可以被細菌和古菌吸收。如果沒有具備固氮能力的藍綠菌,海洋中的生物形式將會非常簡單,而且數量也不多,只因固定下來的氮不足。

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有創意的藍綠菌,讓自己在固氮時,不被氧氣擊倒

不論在過去或現代,藍綠菌固氮都相當不容易。首先它們要能夠製造固氮酶(nitrogenase),這種酵素含有鐵和鉬,能催化固氮反應。除此之外,它們還要防範一個由自己製造的問題:氧氣。

這個問題是這樣的:氧原子的最外層有六個電子,因此它還要再抓住兩個電子,才能讓最外層有八個電子,形成穩定的狀態。早期的海水溶滿了鐵,而鐵原子在最外層有兩個電子,所以你可以想見會發生什麼事──藍綠菌拋棄的氧很快就會抓住鐵,如此一來,藍綠菌就沒有能用來製造固氮酶的鐵原子了。

藍綠菌得要有創意才行。有些藍綠菌在固氮的時候停止光合作用(這樣就不會釋放氧氣了),有些藍綠菌只在晚上不進行光合作用時行固氮作用(但如果沒有陽光照射就會發生混亂)。有些則和同種的其他個體合作,細胞彼此連接成細微的絲狀結構,就像是一串珠鍊。約有十分之一的珠子會停止光合作用,並且讓細胞壁變得更厚,以阻擋氧氣進入。這些特殊的細胞稱為異型細胞(heterocyst),專門固氮,會把含氮分子分享給左右細胞,換來糖類以維持生存。現在能固氮的藍綠菌依然採用這些方法。

藍綠菌要讓自己繁榮昌盛,真的不容易!

藍綠菌要散播到全世界,不只必須解決固氮的問題。它們還面臨兩難的困境:它們需要靠近海洋表面,但是又要避免紫外線破壞 DNA。

為此它們演化出一層細胞外的多醣類(由糖分子連接而的長鏈),稱為黏質(mucilage),它可能是世界上最早的防曬成分,也是它讓藍綠菌具有那典型的黏滑表面。最後,所有的藍綠菌都因為有黏質而變得黏黏滑滑。

總加起來,藍綠菌確實具有各種讓它自己繁榮昌盛的能力。大部分的藍綠菌每七到十二小時可以複製一次,換算下來,一平方呎的藍綠菌可以在兩天之內覆滿一間小辦公室的地板。有些種類的藍綠菌每兩個小時便複製一次,於是同樣的大小在兩天之內就可以蓋滿六座足球場。

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不論是哪一種,最早的藍綠菌在數億年中複製的幅度,遠遠超過我們的想像。這段其間,它們也演化出許多不同大小和形狀的種類:球狀、卵狀、桿狀、螺旋狀或絲狀(數量最多的是圓形原綠球藻〔Prochlorococcus〕,它們在 1986 年才被發現,也是最小的藍綠菌,一茶匙的海水有四十萬個原綠球藻)。

藍綠菌如果漂浮在水面上,並且經由黏質黏在一起,就會形成綠色的團塊。這些團塊會吸收當時在水中漂蕩的各種成分,包括碳酸鈣和碳酸鎂之類的礦物質,以及其他死亡的微生物而變得愈來愈稠密。自始至終,這些活生生的藍綠菌能夠藉由黏質滑動,往有陽光的海面移動,並持續增殖。

註解:

  1. 最早進行光合作用的生物並不會造氧氣,它們以紫色的色素吸收近紅外線,從含硫化合物中取得電子,把細小的純硫顆粒當成廢棄物排出。它們沒有如同近親藍綠菌那般昌盛,但是依然能夠在現在無氧的水中續存。

——本文摘自泛科學 2020 年 1 月選書《藻的祕密:誰讓氧氣出現?誰在海邊下毒?誰緩解了飢荒?從生物學、飲食文化、新興工業到環保議題,揭開藻類對人類的影響、傷害與拯救》,2019 年 12 月,臉譜出版

 

臉譜出版_96
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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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寒武紀大爆發為何發生?是因為氧、掠食者亦或是地磁反轉無情的捉弄?
寒波_96
・2016/02/29 ・2331字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

由化石記錄可知,如今千奇百怪的動物,大多數祖先最早都可以追溯到寒武紀(Cambrian),這個距今約4.8到5.4億年前的地質時期。比起已經出現30億年以上的生命,5億年很短,但相較只有20萬年歷史的智人,5億年又長的無法想像。

寒武紀大爆發想像圖
寒武紀大爆發想像圖,這是個多彩多姿的生命新世代。(取自這裡

海洋、大地、生命,跟現在截然不同的遠古年代

許多人知道寒武紀,是因為「寒武紀大爆發(Cambrian Explosion)」,也就是寒武紀時冒出來,大批前所未見的奇形怪狀動物。事實上,欣欣向榮的新生命不只眷顧寒武紀,開始於6.35億年前,更早前的埃迪卡拉紀(Ediacaran)也出現過許多新種動物,只是這批動物絕大部分都滅絕了,被寒武紀繼之而起的新世代所取代。

為什麼?為什麼生命在30幾億年前就已經誕生,卻要經過20多億年,等到埃迪卡拉紀才出現構造比較複雜的動物?為什麼?為什麼埃迪卡拉紀的動物又一夕間大量消失,相對迅速地被後輩取代?為什麼?為什麼寒武紀的動物與之前如此不同?

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這些問題至今都沒有確定的答案,畢竟我們對那個悠遠古老,大地與海洋都跟現代截然不同的年代,所知相當有限,目前大致只能確定,那時的動物都是水生,尚未登陸。埃迪卡拉紀的動物相對簡單,沒有眼睛、肢體等構造,宅在海床上不會動;寒武紀的動物比較複雜,出現眼睛、長腳、硬殼、還會游泳。

過去一派看法認為,寒武紀大爆發的關鍵在演化上的創新,例如視覺;另一派則主張生命複雜度與氧濃度息息相關,等到寒武紀時,氧濃度才上升到足以支撐複雜動物,因此寒武紀大爆發是氧濃度增加的結果[1]。最近研究卻發現,埃迪卡拉紀跟寒武紀交界時期的氧濃度,其實沒什麼差異,無法直接用氧濃度增加,解釋生命形態的轉變[2]。

圖上半部分是歷史上海洋中氧的濃度。長期趨勢看來,濃度幾億年來一直都很低,但在某些時候會突然上升一下,然後又降回去。埃迪卡拉紀末期的劇烈上升,可能與埃迪卡拉紀大滅絕,以及寒武紀大爆發有關。圖下半部分是兩個時期的生物形態。埃迪卡拉紀動物普遍比較大隻,但構造簡單,很宅不會跑;寒武紀動物演化出更複雜的眼睛、附肢、各式身體組織,會跑來跑去,這些特徵一路流傳到今天。(取自ref1)

插播一個有趣的相關問題:最早的動物何時誕生?已知最古早的動物化石距今5.8億年,然而分子演化估計的年代卻是7到8億年前,也許線索就藏在氧濃度中。8億年前的氧濃度是現在的2到3%,應該已足以讓最初構造極簡的動物誕生,但要等到埃迪卡拉紀時,氧濃度才高到足以出現更複雜的動物,形成化石保存下來。

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掠食刺激寒武紀大爆發?

回到寒武紀大爆發,有人認為掠食者才是關鍵。稍早研究認為,氧濃度低於0.5%只能支撐極簡單的生態系,動物只有微生物能吃;略升為0.5到3%,動物種類會變多,但還是只能吃微生物;然而氧濃度升為3到10%後,以別的動物為食的動物,也就是掠食者就能出現,更加複雜的食物網於是誕生[3]。

埃迪卡拉紀的典型動物,身體柔嫩,欠缺防禦,又不會跑,簡直是生來給掠食者享用的大餐,競爭失敗的軟弱動物最終被淘汰,發展出有效防禦措施的動物則隨之興起,掠食者刺激了生物多樣性誕生,造成寒武紀大爆發。

抵擋掠食者的方法之一,是靠硬殼保護肉體。埃迪卡拉紀末期時至少出現3種動物,配備礦物化的身體構造,其中一種叫作Cloudina,科學家在它的鈣質外殼上觀察到洞,可能是曾被掠食者攻擊的痕跡[4]。耗費能量的外骨骼不可能無緣無故誕生,有學者認為為了抵擋掠食者演化出殼,是最合理的解釋。

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有殼的Cloudina想像圖。(取自wiki

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除了變硬以外,還有別的辦法避免被吃掉,像是更靈敏的感官、行為改變。埃迪卡拉紀的動物住在海床的微生物層(microbial mat)上,算是活在二維的平面世界,但一旦動物能挖穿微生物層,鑽入海床躲避掠食者(氧也能跟著接觸到底下的沉積層),或是游泳離開海床,2D就升級為3D,從此成為多彩多姿的立體世界。

輻射造成寒武紀大爆發?

以上解釋寒武紀大爆發的說法看似合理,但最近有另一個假說提出[5]。新研究報告,5.5億年前,也就是埃迪卡拉紀末期,地球歷經比現在頻繁20倍的地磁反轉,這波劇烈的地磁變化,也許導致那時損失高達20到40%的臭氧層,讓穿透的紫外線輻射大增[6]。

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這麼多啊,死亡帶走了這麼多啊!埃迪卡拉紀的柔嫩動物們,是否因為受不了而大量輻射而滅絕?(取自ref5)

在狠毒的陽光下,沒有防禦、不會移動的軟弱動物將紛紛陣亡,能防禦輻射傷害的動物才能生存。用硬殼遮蔽肉體、長出眼睛偵測光線、從海床往下挖掘尋求庇護,都可能是動物演化而來抵抗輻射。這個假說聽來驚人,不過基本上跟前一個類似,只是把「掠食者」的角色換成「紫外線」。

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驅使寒武紀大爆發的關鍵為何,目前仍沒有答案。氧濃度與掠食者的假說證據較多,看來有希望,但仍不足夠;紫外線假說則疑點重重,畢竟地磁反轉對輻射強度的影響,以及輻射對生物遺傳的影響,都還有許多未知之處,要證實這套論點,比前一個假說需要更多後續研究。

參考文獻:

  1. What sparked the Cambrian explosion?
  2. Sperling, E. A., Wolock, C. J., Morgan, A. S., Gill, B. C., Kunzmann, M., Halverson, G. P., … & Johnston, D. T. (2015). Statistical analysis of iron geochemical data suggests limited late Proterozoic oxygenation. Nature, 523(7561), 451-454.
  3. Sperling, E. A., Frieder, C. A., Raman, A. V., Girguis, P. R., Levin, L. A., & Knoll, A. H. (2013). Oxygen, ecology, and the Cambrian radiation of animals. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(33), 13446-13451.
  4. Bengtson, S., & Zhao, Y. (1992). Predatorial borings in late Precambrian mineralized exoskeletons. Science(Washington), 257(5068), 367-369.
  5. Hyperactive magnetic field may have led to one of Earth’s major extinctions
  6. Meert, J. G., Levashova, N. M., Bazhenov, M. L., & Landing, E. (2016). Rapid changes of magnetic Field polarity in the late Ediacaran: Linking the Cambrian evolutionary radiation and increased UV-B radiation. Gondwana Research.

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。