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五百多篇與萊克多巴胺有關的文獻,能告訴我們什麼事?

廖英凱
・2020/11/03 ・7379字 ・閱讀時間約 15 分鐘 ・SR值 593 ・九年級

前情提要:關於萊克多巴胺的文獻有五百多篇?

2020 年 8 月 28 日總統蔡英文宣布將擴大開放美國牛肉和含有瘦肉精「萊克多巴胺 (Ractopamine) 」美國豬肉的進口,引發了社會許多的議論。

因應民間的質疑與反彈聲浪,立法院經濟委員會於 10月 26日召開 「農防字第1011473960號公告 公聽會」,於公聽會結尾;農委會主委陳吉仲在回應民間針對萊克多巴胺健康疑慮的相關論述時,提及農委會「針對全世界有做萊克多巴胺的文獻回顧 514 篇,做了完整的文獻 review,在這些文獻中結果敘述為中性的占 73%,為正面的占 23%,僅有少數幾篇 (4%) 為負面結果,如果蠅等文章⋯⋯」

全世界有關萊克多巴胺的文獻有五百多篇。圖/Wikimedia common

大規模的學術研究回顧,是了解目前學術界觀點、共識與爭議的重要方式,但文獻回顧曠時費力,往往需仰賴大型研究機構與眾多學者投入,才能提出完善的回顧型研究。但確認學界觀點,是萊克多巴胺政策辯論不可缺的關鍵依據。

因此本文章仿造回顧性論文的研究方式,提出一個簡化版本的回顧型科普文章,來揣摩猜測一下,這與萊克多巴胺有關的這幾百篇文章,到底在說什麼?

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paper 拿~麼多,要怎麼開始找?

第一步:挑選需要的文獻!

文獻回顧的第一步,是需要在資料庫中篩選出可信的研究文獻。本文使用了 Elsevier 出版集團製作的 SCOPUS 資料庫。SCOPUS 是目前全球最大的學術文獻資料庫,收錄了三萬多則期刊與刊物,也是目前國內許多大專校院使用的資源。

常與 SCOPUS 相比的資料庫為 Web of Science (WOS),但兩資料庫涵蓋範圍仍有差異,因此若有文獻被收錄於 WOS 但未被收錄於 SCOPUS,則無法被本文所回顧到。

在SCOPUS資料庫中,設定關鍵字:ractopamine;文獻形式為:article,亦即排除其他回顧型論文、書籍章節、研討會論文等形式;出版狀態設定 2000 年以後出版的文獻;學科領域設定為農業與生物科學、環境科學、藥理學、毒理學和藥物學、獸醫學;文獻語言設定為英文。

在此條件下,共搜尋得 511 篇文章,與農委會所說的 514 篇極為接近,或許可以相信兩邊所匯集的文章高度相似。

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使用 SCOPUS 的搜尋結果

從已經篩選出來的文獻,我們試圖來混沌地發想幾個問題:

  1. 這些文獻是否有特定的時間與空間分布?
  2. 研究機構或經費來源有沒有特別的分配,例如藥廠或業者的角色如何?
  3. 這些研究最主要關注的內容是什麼?有沒有什麼值得留意的關注面向?
  4. 如何了解這些文獻的研究結果,所謂「中性」、「正面」或「負面」的態度?

該如何回答上述問題呢?

為了回答這些問題,本文使用兩種簡化的方法來分析這 511 篇文獻:

  1. 將 SOCPUS 資料庫中,如論文刊登時間、地點、作者資訊等「爬」下來,利用資料視覺化的方式做簡易統計分析。
  2. 僅閱讀所有文獻的「摘要」,根據原作者在摘要的敘述,人工判斷該文獻針對萊克多巴胺的態度。
    並將文獻針對萊克多巴胺的態度分為四類編碼:
    • 不涉及健康或生態影響的正負面表述,例如:
      1. 檢測儀器開發、藥物開發 (Yikilmaz et al., 2020);
      2. 生理數值改變,如體重、體脂、心率、代謝與排泄產物 (Trotta, Maddock Carlin, & Swanson, 2019);
      3. 環境狀態監測,如環境殘留量 (Wooten, Mayer, & Smith, 2019)。
    • 有涉及健康或生態影響敘述,且有負面表述,例如:
      1. 畸形、死亡率上升 (Lonare, Sole, & Umap, 2018);
      2. 探索行為、活動力下降 (Sachett et al., 2018);
      3. 攻擊性、壓力生理反應 (Ritter et al., 2017);
      4. 生態失衡 (Garbinato et al., 2020)。
    • 有涉及健康或生態影響敘述,但主張沒有負面表述,或是有正面表述,例如:
      1. 研究發現符合FDA規範的萊克多巴胺使用,對牛未觀察到心律不整 (Frese et al., 2016);
      2. 研究發現肺癌與乳腺癌患者所暴露的萊克多巴胺低,不影響致癌可能 (Cheng et al., 2016);
      3. 研究發現萊克多巴胺對兩棲動物沒有不利影響 (Sandoz et al., 2020)。
    • 無法判斷或與萊克多巴胺無關
作者在爬梳文獻時,依據摘要將文獻對萊克多巴胺的態度進行分類。圖/giphy

這篇文章有非常非常非常多的研究限制。例如本文所彙整的文獻,絕大多數僅有閱讀文獻摘要並沒有細究內文,因此難以充分理解這些研究的內涵,有可能導致誤判。

本文也僅假設所彙整的文獻跟農委會的搜尋結果高度相似,但也有可能因為資料庫選用、學科領域等搜尋條件設定不一致,而可能有截然不同的搜尋結果。因此這篇文章只能作為科普文章的一種概念發想,不能作為正式學術研究結果。

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當很多篇 paper 聚集在一起時,新的資訊就跑出來了

何時何地研究做什麼?文獻背景資訊統計分析

學術文獻是呈現學術研究成果最常見也最重要的方式,透過閱讀學術文獻,可以讓我們了解到各個學術研究團隊的成就。不過,多數學術文獻的目的是在介紹單一實證研究的成果。關於整體學術社群的研究樣貌、研究主題隨時間的變化、研究領域與在地化的關係,就難以在單一實證研究論文中看到全貌。

因此,透過分析大量的文獻的背景資訊、發行時間地點、關鍵字頻率等,可以讓我們看到整體學術社群「突現」出來的新資訊!

透過分析大量學術文獻的資訊,可以讓我們看到整體學術社群的全貌。圖/giphy
  • 時間趨勢

與萊克多巴胺有關的文獻,大概在 2013 至 2017 年間為文獻發表的高峰,值得一提的是儘管 2006 年以前,年均文獻數不到十篇,但 JECFA 在 2004 年就已根據有限的人體與動物研究結果而發表了針對萊克多巴胺的健康風險評估報告。

而歐盟則是在 2009 年提出禁用與禁止進口萊克多巴胺和肉品的科學意見書;CODEX 則是在 2012 年時通過萊克多巴胺的國際規範。有可能代表重大國際組織的報告發布,促使了萊克多巴胺的相關研究。

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2013 至 2017 年間為與萊克多巴胺有關的文獻發表的高峰。圖/作者提供
重大國際組織的報告發布,有可能促使了萊克多巴胺的相關研究。圖/作者提供
  • 空間分布

與萊克多巴胺有關的研究,則明顯聚集在少數國家,發表數排名前幾名的國家,可能與國家研究實力和國家農業、公衛政策有關。如美國、巴西、加拿大均為重要牛肉出口國,值得一提的是台灣因有 14 篇研究發表,而與墨西哥並列第六。

排名前十名的國家與發表數量依序為:

美國(224 篇)、中國(115 篇)、巴西(61 篇)、加拿大(25 篇)、澳洲(16 篇)、墨西哥(14 篇)、台灣(14 篇)、法國(9 篇)、義大利(9 篇)、英國(9 篇)。

與萊克多巴胺有關的研究在全世界的分佈。圖/作者提供
  • 關鍵字分布

將文獻自行設定的關鍵字,統計出現的次數,前十大關鍵字為:

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Ractopamine(萊克多巴胺);Animals 和 Animal(動物);Phenethylamines(苯乙胺);Adrenergi-Beta-Agonists(β腎上腺素受體激動藥)、Swine(豬);Male(雄性);Cattle(牛);Nonhuman(非人);Meat(肉);Animal Food(動物性食品)。

關鍵字的頻率呈現,除了與萊克多巴胺和藥理有關以外,可以看出研究最充分的生物是豬和牛,也可能代表有許多研究是將動物視為肉品的前提來研究。

萊克多巴胺相關的關鍵字分布。圖/作者提供

此外還有一些有趣的關鍵字頻率差異,例如在這 511 篇文獻中,Male(雄性)出現了 131 次,但 Femalie(雌性)僅出現 91 次。以物種作為關鍵字的話,如 Swine(豬)、 Cattle(牛)和 non-human(非人)分別出現 146 次、110 次和 106 次,但 human(人)僅出現了 37 次。

這或許可以延伸出下一個問題:有沒有可能代表在這系列研究中,被關注最多的是雄性牲畜,但關注最少的則是女性人類呢?(抖)

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  • 經費來源分析
分析研究經費的來源,也是了解學術文獻背景的方法。圖/Pexels

這 511 篇文章中,有註記所屬研究機構的研究者,共有 873 人,分布於 160 間研究機構。所屬人數最多的機構,排名最多的前幾間依序為:Elanco 動物保健公司(67人)、堪薩斯州立大學(44人)、伊利諾大學厄巴納-香檳分校(44人)、禮來公司(26人)、普渡大學(24人)。其中 Elanco 動物保健公司在 2019 年以前為禮來公司的持股子公司,而禮來公司的主要產品就有萊克多巴胺(PS. 還有百憂解和犀利士⋯⋯)

若將排名前十名的機構以類型區分的話,則學術界占 42.5%;藥廠 36.3%;政府研究 20.9%。由此可以明顯看出與萊克多巴胺有關的藥廠,在此的龐大資源投入。

萊克多巴胺研究經費來源比例。圖/作者提供

所以這些研究對萊克多巴胺的態度是?文獻摘要態度編碼與觀察

分析完文獻的背景後,再來看看這些文獻摘要中,到底怎麼看待萊克多巴胺對健康與生態的好處或傷害。

  • 研究結論態度

從摘要來看,絕大多數文章的重點,聚焦在萊克多巴胺檢測技術的開發與應用,以及畜產觀點上針對萊克多巴胺的應用方式和成效。由於我們把此處研究文獻的態度判斷,限縮在「健康或生態影響」的正負面表述,最終僅有 33 篇涉及健康或生態相關的正面負面表述。

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與萊克多巴胺有關文獻僅有 33 篇涉及健康或生態正面負面表述。圖/Pixabay

其中,研究結論有觀察到對健康或生態有負面表述的,例如使動物心律不正、死亡率提升等,共有 21篇,占總比例 4.11%;有針對健康或生態影響研究,但主張沒有負面結果,或反而有正面結果的,共有 12篇,占總比例 2.35%

對比起農委會的觀察「中性 73%,正面 23%,負面 4%」,在判斷為負面表述的比例相近,有可能是因為研究結果若有負面不良影響時,極容易從文獻摘要的末段就能看出來。

但對正面表述的判斷差異極大,猜測這裡的判斷差異有可能是本文的編碼方式要求文獻摘要必須明確寫出無害或有益處的修辭,但多數動物用藥研究都是在尋找合適的用藥方式與畜產上的效益,而不會刻意強調健康或生態益處。

各年與萊克多巴胺有關研究的結論態度。圖/作者提供
與萊克多巴胺有關研究的結論態度比例。圖/作者提供
  • 研究對象與關注方向

在這 33 篇確認與健康與生態影響的文獻中,研究最多的是物種是豬,特別是針對豬攝食萊克多巴胺後,與侵略性有關的表現就有 6 則研究;其次則為牛的研究,有 4 則研究與牛攝食萊克多巴胺後,遭遇壓力(如飼育、運送)的不良生理反應和運動行為的不良改變有關。

這或許可以解釋為什麼會有國內外倡議團體,基於動物福利的理由反對萊克多巴胺。再其次的物種則為斑馬魚和羊,各有 3 則研究。
由於最終篩選出的文獻數僅有 33 篇,因此無法觀察到研究選用物種與選用主題上,有統計上的顯著趨勢。

與健康與生態影響的文獻中,研究最多的是物種是豬。圖/Pexels
  • 與環境有關的研究

除了針對物種有關的研究,本次回顧的這 511 則文獻摘要中,也有 20 則是專門針對環境的研究。多數的環境研究是針對美國境內有使萊克多巴胺的畜牧場,研究多發現畜牧場因為廢水排水的原因,導致畜牧場周圍的排水道、土壤與空氣中,能量測到極微量的萊克多巴胺。

這類研究近期常被應用於國內部分萊克多巴胺反對者的論述,但須留意這類研究多是探討畜牧場的影響,並不適用於肉品進口的情境。

畜牧場的廢水排水,導致周圍的排水道、土壤與空氣中量測到極微量的萊克多巴胺。圖/Pexels
  • 值得關注的本土研究

另外值得一提的是在這 511 則文獻中,有 31 則研究有我國的學者參與,有 14 則是 100% 台灣製造的本土研究。

其中有兩則研究我認為特別值得持續追蹤下去:

一則是由台大環工所的團隊在 2011 年時發表的 Occurrence of β-blockers and β-agonists in hospital effluents and their receiving rivers in southern Taiwan.,該研究調查南台灣三所醫院汙水和四條河流中,β受體阻滯劑和β受體激動劑(含萊克多巴胺)的狀況,結果發現檢出率最高的化合物是三種β受體阻滯劑 (propranolol, atenolol, and acebutolol) 和萊克多巴胺。

不過⋯⋯ 2011 年前,我國沒有進口過含萊克多巴胺的肉品,也未開放畜牧業使用,那為什麼還能在國內的汙水量到呢?(抖)

台灣的本土研究在2011 年時發現國內的汙水量到萊克多巴胺。圖/Chemistry world

另一則是陽明大學環衛所和榮總臨床毒物科的團隊在 2013 年發表的 Late diagnosis of an outbreak of leanness-enhancing agent–related food poisoning.,該研究調查了一起台南某醫院急診科的異常群聚症狀,有 12 名一起聚餐的患者出現了噁心、嘔吐、心悸、低血鉀、高血糖、白細胞增加的症狀。最終在患者的尿液中檢驗到了 Clenbuterol 和 Salbutamol 這兩種被禁用的瘦肉精。

又由於所有的患者在發病前都吃過同樣的雞肉料理,因此唯一可能的解釋,是這兩種被禁用的瘦肉精,又被用到了過去也不會特別使用瘦肉精的養雞場。

兩種被禁用的瘦肉精,被用到了過去也不會特別使用瘦肉精的養雞場。圖/Pexels

這類本土研究,也呼應了國家環境毒物中心在 2014 年發布的瘦肉精健康影響評估報告,報告中指出在 2012 美國牛肉進口以前,一個涉及 72 人的尿液抽檢研究中,即發現有 1.39 ~ 5.56 % 的人,被量測出被禁用的不同種瘦肉精。

似乎代表瘦肉精管制的戰場,不只在國門之外,而早已在你我的周遭⋯⋯

結論與展望~

本文以簡化的方式回顧了與萊克多巴胺有關的 511 則文獻。回顧結果發現相關研究的人力、機構主要位於美、中、巴西、加拿大等研究實力堅強或具有大量肉品出口的國家;動物用藥的相關藥廠貢獻了大量的研究人力與經費,可能可以呼應多數研究都是以畜牧、食用動物養殖為目標。有可能導致了絕大部分研究的目的,並不著重於健康和生態影響。

與萊克多巴胺有關文獻的機構主要位於具有大量肉品出口的國家。圖/Needpix.com

在極少數與健康、生態影響有正面或負面表述的文章中,多數研究聚焦於豬和牛的負面動物行為,可以呼應國內外動物福利的倡議。與 2004 年 JECFA 的回顧和 2009 年歐盟科學意見書比較,本次回顧的文獻中的人體相關研究仍非常罕見,其他動物研究結果若要用於人體健康評估也都須留意過度解讀的可能。

文獻中也有為數不多的環境研究,多數均為使用萊克多巴胺的畜牧場環境研究,而非進口肉品所導致的環境影響。但是仍有台灣本土研究,確認儘管未進口或開放使用萊克多巴胺或其他瘦肉精,國內依然有環境已被瘦肉精汙染,且爆發瘦肉精食物中毒的狀況。

總結目前的觀察,既有學術研究方向似乎較少關注健康與生態的影響,使目前學術研究成果,可能仍不足以決定性地支持或推翻 JECFA 與 CODEX 的規範。也由於學術研究成果的有限,在面對今日萊克多巴胺的政策辯論,更不應糾結於特定研究成果,而應重視「劑量決定毒性」的根本原則

在學術研究成果有限的情況下,應更重視「劑量決定毒性」的基礎原則。圖/Wikimedia common

我們更該關注的,應是如何實踐此原則的風險管理措施,如透過清楚標示、履歷溯源、邊關檢驗、市場抽驗、混合體抽驗、訂定超標罰則、確保稽查人力與權責單位等政策實踐,來確保進口肉品劑量合乎標準,禁絕本地非法使用。

最後也再強調一下,這篇文章有非常非常非常多的研究限制,目的僅在粗略地綜覽今日學術研究樣貌,並非基於嚴謹的研究法,內容也未經過同儕審查,所彙集的文獻有可能因為資料庫選用、學科領域等設定不一致,而可能與農委會的研究有截然不同的搜尋結果,因此這篇文章只能作為科普角度的一種概念發想。希望能刺激出有志研究者來做更精緻的文獻分析。

透過更全面的文獻回顧與研究,才能做出最有利的決策。圖/Pexels

還有一些值得發展的研究問題,例如有相當多的研究者與研究,所屬機構或經費來源與萊克多巴胺的藥廠禮來公司高度相關,這些研究是否會受到經費影響而特別避談萊克多巴胺的健康影響,或做出有利於萊克多巴胺的影響評估?若要致敬農委會「中性、正面、負面」的分類方式,是否有更準確的分類方法?

相信唯有透過更全面性的文獻回顧與研究設計,才有可能為一個社會性科學議題的是不是、能不能、該不該,做出最有利於國人、國家、人類,或是地球物種最有利的決策。

參考文獻(由於本篇文獻有五百多篇實在太長,因此先暫時收攏在此份 google 文件中)

文章難易度
廖英凱
30 篇文章 ・ 249 位粉絲
非典型的不務正業者,對資訊與真相有詭異的渴望與執著,夢想能做出鋼鐵人或心靈史學。 https://www.ykliao.tw/

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 56 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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你覺得萊豬可以吃嗎?為什麼?|【科科齊打交】
stage_96
・2021/01/12 ・2684字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

S編按:【科科齊打交】是我們希望可以與大家一起進行的對話形式。泛科學編輯部會盡力蒐集資料,提供可以協助討論的科學內容,期待能夠塑造一個開放與理性討論的空間。

這一次想和大家討論的議題,是今年萊豬正式開放進口後,全國人民都很關心的議題:萊豬到底可不可以吃?科學上又是如何看待這個議題呢?

現在,我們想邀請你,在閱讀完相關內容後,在此文底下留言,與我們分享你的想法!

為何要使用萊克多巴胺?

首先,讓我們先來了解一下:究竟萊克多巴胺 (Ractopamine) 是什麼東西?為什麼會有人使用它呢?

萊克多巴胺結構式。圖/Wikipedia

它是一種人工合成的藥物分子,可以模擬動物、人體內自然合成腎上腺素類型的神經內分泌素,藉此加強腎上腺素的下游生理機制。

最初研發萊克多巴胺,是為了治療人類氣喘,經過了一連串完整的毒理試驗,最後卻因治療效果不甚理想,並沒有成為正式的氣喘臨床用藥。

而它也是瘦肉精的一種,只要在飼料中添加極少量的萊克多巴胺,就能讓豬隻生成更多的蛋白質,減少脂肪含量。如此一來,便能減少飼料使用、加快肉品上市速度,還能降低成本、增加利潤。

飼料中添加極少量的萊克多巴胺,就能讓豬隻生成更多的蛋白質,減少脂肪含量。圖/pixabay

萊克多巴胺並不會因為烹調而降解,進入動物體內後,24 小時代謝率高達 80% 以上;人體口服後 6 小時,約可排除 72%。(剩下的會持續代謝)

如果攝取過量萊克多巴胺,會有心血管上的副作用,如心悸、血壓上升等心血管問題,也可能會出現噁心、頭暈、手顫抖狀況;老人、孕婦、嬰幼兒及心血管疾病患者食用時需要特別注意。同時,它也被列為體育禁藥。

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科學界怎麼看?從 500 篇論文來看!

針對萊克多巴胺,科學界有什麼研究呢?為了回答這個問題,泛科學專欄作者廖英凱透過全球最大的學術文獻資料庫 SCOPUS 進行資料回顧,以關鍵字「ractopamine」進行搜尋,在排除回顧型論文、書籍章節、研討會論文後,蒐集到 2000 年以後出版的 511 篇文獻結果,內容涉及農業與生物科學、環境科學、藥理學、毒理學和藥物學、獸醫學等領域。

使用 SCOPUS 的搜尋結果

雖然此科普文章尚有許多限制,我們仍可從其中發現一些新的資訊:相關研究的人力、機構主要位於美、中、巴西、加拿大等研究實力堅強或具有大量肉品出口的國家;動物用藥的相關藥廠則貢獻了大量的研究人力與經費,可能呼應了多數研究都是以畜牧、食用動物養殖為目標,並不著重於健康和生態影響。

在極少數與健康、生態影響有正面或負面表述的文章中,多數研究聚焦於豬和牛的負面動物行為,可以呼應國內外動物福利的倡議。與 2004 年 JECFA 的回顧和 2009 年歐盟科學意見書比較,本次回顧的文獻中的人體相關研究仍非常罕見,其他動物研究結果若要用於人體健康評估,都要注意過度解讀的可能。

文獻中也有一些環境研究,多數是針對使用萊克多巴胺的畜牧場環境,而非進口肉品所導致的環境影響。值得一提的是,有台灣的本土研究指出,在尚未開放使用萊克多巴胺或其他瘦肉精的時候,我國就已出現環境被瘦肉精污染的情形,並曾有瘦肉精食物中毒的狀況。

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在尚未開放使用萊克多巴胺或其他瘦肉精的時候,我國就已出現環境被瘦肉精污染的情形。圖/pixabay

所以說,相關標準是如何訂定的?國外篇

目前除了台灣之外,共有 26 個國家(地區),核准萊克多巴胺可合法添加於動物飼料中使用。

美洲(17 個):美國、加拿大、墨西哥、玻利維亞、巴西、巴拿馬、哥倫比亞、哥斯大黎加、多明尼加、瓜地馬拉、厄瓜多、薩爾瓦多、宏都拉斯、尼加拉瓜、祕魯、委內瑞拉、巴貝多。

其它地區(9 個):澳洲、紐西蘭、印尼、馬來西亞、菲律賓、南非、南韓、泰國、香港。

每個地區是否開放有不同國情考量,而說到所謂「國際上的標準」,我們先得了解國際食品法典委員會 (Codex) 是什麼?Codex 是由聯合國國際糧農組織 (FAO) 和世界衛生組織 (WHO) 共同成立的組織,成立目的是為了制定食品安全相關標準。Codex 標準雖然是國際標準,但各會員國仍可以透過科學的風險評估原則,訂定各國的標準。

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Codex 目前針對萊克多巴胺所訂定的每日容許攝取量 (ADI) 值為「1 微克/公斤體重/天」,跟日本、澳洲以及我國的標準是一樣的。所謂的 ADI,翻成白話文便是「每個人每天都吃萊克多巴胺肉品,吃一輩子都不會有問題的量」。

除了 ADI 之外,Codex 也訂定了最大殘留容許量 (MRL),這個標準通常相較 ADI 會更為嚴格,目前相關規定可參見下圖:

所以說,相關標準是如何訂定的?臺灣篇

看完了國外的規範後,你是不是也發現了,各國對於萊克多巴胺的態度並不相同呢?那麼,在台灣進口含有萊克多巴胺的肉品健康風險有多高?會影響哪些人?

想要回答這些問題,可以進行「食品安全風險評估」,了解萊客多巴胺有哪些毒性?對健康可能有哪些影響?可被容許的使用劑量是多少?

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108 年《食用肉品暴露萊克多巴胺之健康風險評估》納入了不同性別/年齡層的民眾及敏感族群,根據評估結果,如果進口牛、豬肉品中的萊克多巴胺含量均控制在 Codex 建議的 MRL 時,一般族群即使全數食用進口牛、豬肉及其製品與內臟,風險仍在可接受範圍。

不過,如果考慮到台灣人的飲食習慣與西方不同,除了較常食用內臟外,坐月子時也可能攝取大量豬腎與豬肝。此份評估報告仍建議應透過宣導、標示,來降低坐月子婦女等高暴露族群的攝食量,以保障她們的飲食安全。

在食用內臟方面,考慮到台灣人的飲食習慣與西方不同,應透過宣導及標示來降低高暴露族群的攝食量。圖/pixabay

在含有萊克多巴胺的豬隻開放進口後,科夥伴們會選擇食用嗎?而在開放後,你認為政府應該如何把關?又該如何標示呢?

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stage_96
26 篇文章 ・ 50 位粉絲
此為「科科齊打交」系列討論專用帳號!希望能藉由大家的討論,一起打造屬於我們的魔幻舞台! PanSci編輯部將會盡力蒐集資料,提供可以協助討論的科學內容。 想邀請科夥伴們在閱讀完相關內容後,藉由留言的方式,與我們分享你的想法! 「霹靂卡霹靂拉拉波波麗娜貝貝魯多。」

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吃瘦肉精能「瘦身」嗎?小心傷心又傷肝
miss9_96
・2020/11/21 ・2561字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

在畜牧業中,有類可減少豬、牛的脂肪、提高瘦肉率的藥物,泛稱「瘦肉精」。唔……豬吃了會瘦,那人吃了也會瘦嗎?

瘦肉精的「瘦身」機制(對豬、牛等動物而言

在很久很久以前,藥廠在研發氣喘的藥物(支氣管擴張劑)時,偶然地發現到這群能與腎上腺素受體結合的藥物(β-adrenergic agonists),例如:克倫特羅( Clenbuterol)、萊克多巴胺(Ractopamine)[註1],似乎能讓豬、牛、馬減少脂肪、提高肌肉量、快速增重[1, 2]

在肥肉的減少上,科學家發現到瘦肉精改變了培養皿裡脂肪細胞的代謝。藥物促進脂肪分解、降低脂肪合成[3]。而實際讓動物吃瘦肉精後,科學家發現這些藥物,影響動物體內脂肪細胞的腎上腺素受體(β-adrenergic receptor),使脂肪細胞的脂肪合成能力降低[4];或增加心跳、血壓,進而提升基礎代謝率(BMR, basal metabolic rate),讓動物能更快地分解、代謝能量[5]。換言之,瘦肉精讓動物體內的脂肪更少,更快速地消耗能量。

瘦肉精能讓動物體內脂肪更少、肌肉健美。圖/Pexels

而在肌肉的生長、強化上,瘦肉精讓羊隻的肌肉更大、蛋白質合成效率更高[6]。簡單來說,羊、豬用了這些藥,就能擺脫肥胖,成為身型強壯、肌肉健美,甚至肥肉更少的肉品。因此在市場上,肉商能以更高的價格售出,取得強勁的商業競爭力。

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那,真的有人跑去吃瘦肉精嗎?

當然!瘦肉精在動物展現了燃脂、增強肌肉的效果;身為注重外型的哺乳類,人類當然也開始吃起了瘦肉精。於是乎,畜牧用藥搖身一變,成了運動界或減肥界的傳說禁藥[7]

然而,瘦肉精在人體試驗中,效果真能「只減肥肉、肌肉強壯」嗎?

來自丹麥的研究團隊,邀請了 6 名年輕男性進行人體試驗[8]。他們吃了克倫特羅 (Clenbuterol)後,針對燃燒能量等進行評估。研究發現,瘦肉精對於股四頭肌(quadriceps muscle)[註2]燃燒碳水化合物的效率沒有影響;神奇的是,瘦肉精提升了肌肉靜止時,代謝能量的效率約 21% ,而燃燒脂肪的效率增加了 39% !而在伊朗針對 52 名健康男性,其減肥(觀測 BMI 和體重的變化)的研究,似乎也支持了瘦肉精能減少體重的效果[5]

克倫特羅(Clenbuterol)對人體肌肉的能量消耗之影響。圖/論文提供,作者翻譯註解[1]

傷心又傷肝的禁藥

瘦肉精在人體試驗上展現神乎其技的效果;只靠藥物就能強壯肌肉,還能提高脂肪的燃燒效率,如此驚人的能力,自然被體育界所關注。但僅吃了一顆藥,就能只長肌肉、不生肥肉,此等超乎常理的藥物為運動員們所不許,因此國際奧委會和世界反興奮劑組織,也已將克倫特羅等藥劑視為禁藥之一[7, 9]

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瘦肉精在人體試驗展現神奇的效果,因此被體育界列為禁藥。圖/Pexels

然而,身為普通人類的我們,並非追求破記錄的全壘打或簽約金,如果不考慮瘦肉精是體育禁藥的情況下,服用克倫特羅等藥劑,將什麼風險呢?

人體試驗發現,吃了克倫特羅的人,血液裡的肝臟酵素濃度增加 (AST, Aspartate Transaminase; ALT, ALanine aminoTransferase);換言之,瘦肉精可能具有傷害人體肝臟的危險性[5]

同時,血液裡的膽固醇(cholesterol)、三酸甘油酯(Triglycerides)、低密度脂蛋白(LDL, Low density lipoprotein)濃度也顯著提高,代表中風、血管硬化等心血管疾病的風險也隨之提高[5]

而且,瘦肉精中毒更會引起一系列的症狀,如:躁動不安,心搏過速、高血糖、低血鉀等症狀[9]。在澳洲的新南威爾斯州,吃瘦肉精而中毒,導致報案送醫的最大宗原因是——想要減肥。

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瘦肉精具危害人體肝臟的危險性,但仍有民眾為了減肥而冒險服用。圖/Pexels

在九年內,新南威爾斯州發生 63 起瘦肉精中毒案件。其中約有八成的中毒者必須住院,最常見的症狀是心搏過速、噁心腹瀉等,更有兩例出現心臟驟停的嚴重致命副作用[9]。顯見在減肥的慾望驅動下,民眾仍會鋌而走險地服用瘦肉精(矛盾的人類)。

聲明:在沒有醫療團隊的指示下,不建議使用藥物來控制體重

若瘦肉精用在正確用途上?

當然,藥物本身沒有好壞,只有人類才會走歪。

1993 年,克倫特羅被測試用於軟骨手術(半月板,膝蓋部位)後的肌肉恢復。結果發現,克倫特羅似乎能增加膝蓋肌肉的恢復速度。未來可能可用於輔助術後恢復,甚至治療肌肉萎縮的可能性[10]

註解

  • 註1:我沒有找到這段歷史,但個人猜測應該是在治療動物的氣喘時,意外發現動物用藥後,肌肉量提高。
  • 註2:股四頭肌為大腿的四組肌肉。

參考文獻

  1. Guy H. Loneragan ,Daniel U. Thomson,H. Morgan Scott (2014) Increased Mortality in Groups of Cattle Administered the β-Adrenergic Agonists Ractopamine Hydrochloride and Zilpaterol Hydrochloride. PLoS ONE.
  2. 農委會預告受體素「Ractopamine」及「Clenbuterol」解禁。行政院農業委員會。
  3. Hye-Kyeong Kim, Mary Anne Della-Fera, Dorothy B Hausman, Clifton A Baile (2010) Effect of clenbuterol on apoptosis, adipogenesis, and lipolysis in adipocytes. Journal of Physiology and Biochemistry.
  4. S. E. Mills, C. Y. Liu, Y. Gu, A. P. Schinckel (1990) Effects of ractopamine on adipose tissue metabolism and insulin binding in finishing hogs. Interaction with genotype and slaughter weight. Domestic Animal Endocrinology.
  5. Wafa Saleh Abdulredha (2019) Effect of Clenbuterol using as weight loose on liver enzymes and lipids profile. Iraq Medical Journal
  6. M. C. Claeys, D. R. Mulvaney, F. D. McCarthy, M. T. Gore, D. N. Marple, J. L. Sartin (1989) Skeletal Muscle Protein Synthesis and Growth Hormone Secretion in Young Lambs Treated with Clenbuterol. Journal of Animal Science.
  7. 神奇小藥丸-禁藥面面觀。運動視界。
  8. Søren Jessen, Sara A. Solheim, Glenn A. Jacobson, Kasper Eibye, Jens Bangsbo, Nikolai B Nordsborg, Morten Hostrup (2019) Beta2‐adrenergic agonist clenbuterol increases energy expenditure and fat oxidation, and induces mTOR phosphorylation in skeletal muscle of young healthy men. Drug Testing and Analysis.
  9. Jonathan Brett, Andrew H Dawson and Jared A Brown (2014) Clenbuterol toxicity: a NSW Poisons Information Centre experience. The Medical Journal of Australia.
  10. C. A. Maltin; M. I. Delday; J. S. Watson; S. D. Heys; I. M. Nevison; I. K. Ritchie; P. H. Gibson (1993) Clenbuterol, a β-Adrenoceptor Agonist, Increases Relative Muscle Strength in Orthopaedic Patients. Clinical Science.
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miss9_96
170 篇文章 ・ 1063 位粉絲
蔣維倫。很喜歡貓貓。曾意外地收集到台、清、交三間學校的畢業證書。泛科學作家、科學月刊作家、故事作家、udn鳴人堂作家、前國衛院衛生福利政策研究學者。 商業邀稿:miss9ch@gmail.com 文章作品:http://pansci.asia/archives/author/miss9