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來自姊姊的愛:約兒力氣要多大,才能把弟弟的肋骨抱斷?

linjunJR_96
・2022/07/13 ・2833字 ・閱讀時間約 5 分鐘

話題新番 SPY X FAMILY 中的媽媽約兒,是武功高強的職業殺手。力大無窮的她曾因為不小心抱得太用力,導致弟弟的肋骨不幸斷裂。約兒的力量究竟要多大,才能靠抱抱折斷別人的肋骨呢?

約兒的力量究竟有多大,才能靠抱抱折斷別人的肋骨呢?圖/IMDb

肋骨雖然是保護軀幹內重要器官的鎧甲,但比起粗壯的大腿骨等等其實是相對容易發生骨折的區域。除了一些激烈的競技運動可能會導致肋骨出事之外,CPR 過程中的壓胸動作也有一定機率會造成胸骨或肋骨骨折。這樣看來,單靠人力要把肋骨折斷好像並非不可能

除了安妮亞需要擔心這個問題之外,清楚地知道「東西什麼時候會斷掉」也是許多工程師每天會遇到的挑戰。然而這類實驗每做一次就要毀掉一塊材料,大多時候更完全沒有做實驗的可能(例如大型建築結構,或是無辜人類的肋骨)。

接下來我們便可以用一些簡單的估計,來探討人類肋骨究竟會不會在擁抱過程中意外斷裂。

安妮亞擔心跟媽媽抱抱時,肋骨可能會斷掉的這個問題。圖/IMDb

關心安妮亞的肋骨之前,我們先了解什麼是斷裂力學

一般而言,固態材料受到外力時首先會產生正比於外力大小的彈性,外力停止之後便能恢復原狀。硬度(Stiffness)描述的是彈性形變和外力的正比關係,也就是「外力 = 硬度 * 形變量」。在相同的外力之下,硬度越大的材料形變越小。

外力大到某個程度時,會造成不可恢復的塑性形變,此時材料內部的微觀結構通常已經遭到破壞;外力再大一些便會造成巨觀的斷裂。材料在斷裂前能承受的最大應力就是其強度(Strength)。

玻璃這類硬而脆的材料硬度大但強度小,也就是說它不容易形變,但應力一大就裂開;金屬類則通常有較好的強度和較大的彈性範圍,因此彈簧通常以金屬製成。

硬度跟強度是相關但獨立的概念,下面關於斷裂的討論會著重在強度的部分。

作為複雜的有機結構,骨骼的力學性質並不如上述的如此簡單。骨骼遭受外力衝擊時可以透過局部的塑性形變來分散能量,使裂痕不易蔓延。也就是說,是否骨折不只和力的大小有關,也和施力的速度有關。瞬間的重擊會讓能量來不及耗散,材料因此更容易斷裂。

用吸管插手搖杯封膜時一定要快狠準便是這個道理,如果慢慢加壓只會讓塑膠封膜凹一個洞(也就是塑性形變),那不是因為力氣不夠,而是因為施力不夠快。

用吸管插手搖杯封膜,如果慢慢加壓只會讓塑膠封膜凹一個洞。那不是因為力氣不夠,而是因為施力不夠快。圖/Pexels

但骨骼的塑性性質實在不好估計,所以先別管那麼多。一般在實驗室中若要測量骨骼的斷裂強度,應該就是緩慢地對材料加壓直到斷裂,這樣才能獲得完整的「彈性─塑性─斷裂」過程的資料。

我們暫且假設內心溫柔的約兒擁抱親人的動作(相較於出拳攻擊)是緩慢的,只是力氣的高峰值出奇地大,所以肋骨在經歷了充分的塑性形變後才最終斷裂。對於這類相對緩慢的擁抱,我們便可以安心地套用現有的一些測量數據。

一般人擁抱的力量和約兒有什麼不同

骨頭的部分接下來只要交給谷歌就可以了,那擁抱的力量該有多大呢?一般人抱的動作大概不會把雙臂交疊在一起,而是分別放在對方的肋骨上。所以我們只要考慮一隻手的力氣就好,兩隻手就只是斷掉的肋骨數量乘以二而已。

如果健身房有一台以擁抱動作為發想的訓練器材,一般人用一隻手能拉起的槓片數量應該不多,可能最多十五公斤。約兒提到她當時抱斷了弟弟的三根肋骨,意即兩隻手的力量差不多由三根肋骨扛起,也就是一根肋骨要承擔十公斤重的力。換成物理學家用的單位,就是差不多 100 牛頓。

有這樣的姐姐,尤利還能順利活下來也絕非凡人。圖/IMDb

但是知道力的大小還不夠。直覺會認為,較薄的材料比較容易折斷,同樣的材料在斷裂前能承受的力應該跟截面積呈正比。換句話說,真正衡量斷裂強度的是單位截面積所受的力,也就是應力(壓力)的概念。把一根肋骨的截面簡單當成一公分見方的正方形,壓力便等於:

100 牛頓 /1 公分2=106 牛頓/公尺2=1 百萬帕

(最右邊的百萬帕是材料力學常用的應力單位。)

不過彎曲應力不只和截面積有關,還得考慮材料受力的整體結構。

肋骨下方的胸腔相對沒有什麼支撐力,所以肋骨比較像是一根兩端固定,中間懸空的橋樑,如下圖所示。從日常經驗可以知道,這種結構中間懸空的部分 L 越長,或是厚度 d 越薄,彎曲的越嚴重。

肋骨下方的胸腔相對沒有什麼支撐力,所以肋骨比較像是一根兩端固定,中間懸空的橋樑。圖/作者

所以剛剛的應力還要再乘上一個長度對厚度的比值,才是肋骨在結構中承受的彎曲應力。假設肋骨大約 10 公分長,最後的答案就是 10 百萬帕

約兒有「全力」擁抱弟弟嗎?

人類骨骼的彎曲強度取決於年齡、性別、個體發展差異等等,但是普遍的值落在 100 到 200 百萬帕的範圍,一比下來差了十倍以上。雖然我們在計算中做了很多誇張的簡化,可是過程中不太可能有估計的失誤會讓最後結果差到十倍。

因此可以放心地說,一般人的擁抱不太可能將你的肋骨折斷

可以放心地說,一般人的擁抱不太可能將你的肋骨折斷。圖/IMDb

根據維基百科上沒有來源的資料:「第 1 到 3 根肋骨斷裂前能承受大約 180KG 的重量,第 4 根到第 9 根相對脆弱些」。這和我們的粗略估計大致相符,也就是每根肋骨 10 公斤重的擁抱力道距離肋骨骨折大約有十倍的差距。

不過別忘了,上面講的都是一般人的情況。約兒可不是一般人

想要對她的怪力有些概念,我們發現第十集躲避球大戰的特訓畫面中,約兒丟出的躲避球發出了明顯的音爆,表示她的球速至少來到音速 340 m/s。一般人的躲避球速最快不過 120 km/h,也就是 33 m/s 左右。

考慮到手臂長度差不多,手臂力量大致和球的動能成正比,也就是和球速平方成正比。約兒的球速大約是常人的十倍,代表她的力量是驚人的百倍以上。由此可知,約兒對親愛的弟弟已經相當手下留情了。

參考資料

Martin Grigor Abrahamyan. (2017). On the Physics of the Bone Fracture. International Journal of Clinical and Experimental Medical Sciences, 3(3 6) : 74-77. 
https://www.researchgate.net/publication/321489340_On_the_Physics_of_the_Bone_Fracture

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打破「喝牛奶」迷思:喝低脂牛奶比較不會變胖、三高?喝牛奶能補鈣和長高?
careonline_96
・2020/05/27 ・2459字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 455 ・五年級

日常飲用品佔據我們生活的一大部分,無論水、果汁、咖啡、或茶飲,大家都想知道究竟「如果完全不喝會怎樣?」以及「如果喝太多會怎樣?」。

我們是「哺乳類」動物,也就是說,當小貝比剛出生時,還需要接受媽媽餵養,乳汁就是哺乳類動物產後的分泌物,也是我們生命初始接受的食物。今天我們就來看看牛奶究竟對健康有哪些影響。

喝牛奶長比較高?

未滿一歲之前,乳汁是小嬰兒最重要的食物,因為此時小嬰兒的營養來源幾乎都靠乳汁。假使媽媽無法提供母乳,這時靠配方奶粉也可以。通常六個月之後小小孩就會開始嘗試副食品,一歲後常可以吃吃粥、吃飯,再加上魚、肉、蔬菜等各種營養。那等開始吃一般正常主食之後,還需要喝牛奶嗎?

直接講結論的話,就是喝牛奶對兒童的生長發育,或說身高,是有幫助的!畢竟牛奶裡有很好的蛋白質來源,像是帶有白胺酸,異白胺酸,纈胺酸等支鏈胺基酸,這些都屬於必須胺基酸,人體無法自行合成,需要從食物攝取。是身體能平衡蛋白質的合成、攝取,合成肌肉,維持好蛋白質品質的關鍵。兒童繼續喝牛奶的話,對生長發育的幫助是很不錯的。

全世界平均身高最高的國家是荷蘭,而荷蘭也是乳製品攝取量最高的國家之一。

喝牛奶讓骨質會更健康?更不會骨折?

想到骨質,我們會想到「要有鈣質」,若要達到鈣質的攝取需求,喝牛奶是個很常見的手段。那假使骨質很好,我們會推論這樣應該以後就比較不會骨折。

然而從研究數據上,科學家發現,假使一個人喝牛奶補充鈣質,這期間骨密度或許會提高,但只要不再持續喝牛奶補充鈣質之後,骨密度並無法維持,因此這樣的鈣質補充沒辦法變成「骨本」存起來。

另外一個會讓大家很驚奇的發現是,平均攝取牛奶愈多的國家卻有相對高的髖關節骨折機率!這看起來有點弔詭,讓許多人大失所望呢!(台灣在圖表上屬於「牛奶喝不多,但骨折機率高」的位置。)

還有研究發現,祕魯人平均攝取的鈣質很低,一天大約只有 200 mg 的鈣質,可是當他們攝取的量很少,身體對鈣質的吸收能力就變得很好!所以身體怎麼吸收這些鈣質是個重點。

後來研究持續發現,在我們剛開始固定喝牛奶補充鈣質一年內,確實能提高骨質的密度,但時間一久,身體可能改變了對鈣質的吸收能力,因此有些研究認為,骨質的密度與鈣質補充多少是無關的。與後來會不會髖部骨折也沒有太大關係!

所以照這些研究看起來,想要靠喝牛奶來避免髖部骨折的成功率並不高。同樣的,如果只靠吃鈣片補充鈣質,也無法降低髖部骨折的機率。要維持骨質的健康,不是僅靠喝牛奶就可以,還得加上適當的負重運動練習、減少飲酒、維持適當體重才行

那喝牛奶會讓人發胖嗎?

直接講結論,喝牛奶跟體重上升、下降沒有太大關係,不管成人或小孩都是

不過如果你有體重控制的問題,你大概會從商品架上選擇「低脂」或「零脂」,而不是「全脂」牛奶,是嗎?不過這樣選真的能讓你做好體重控制嗎?

過去有個關於一萬多名青少年、追蹤三年的研究,結論發現當受試者都是攝取低脂牛奶,比較會增加體重;若受試者都是攝取全脂牛奶,就反而沒有體重增加的困擾。同樣地,在關於兒童的研究裡,喝全脂牛奶的人平均體重比較輕,比較沒有肥胖問題,但喝低脂或零脂牛奶者則體重較重。這些結果可能就與一般人的想像有點衝突了!

過去英國曾針對家境較差的小孩做研究,提供一部分小孩「不含牛奶的午餐」,另一部分的小孩則是吃「帶著一杯牛奶的午餐」。快兩年之後,發現兩邊體重比較上沒有什麼差異,但喝牛奶的那一組長得比較高。所以當小孩沒有營養過剩的問題時,喝牛奶不會變胖,而會長高。

總之,喝牛奶大概不是我們現代人體重上升的重點問題,但喝低脂牛奶並不會讓人減肥

喝牛奶跟三高有關係嗎?

我們前一段說的是體重,然後告訴大家研究發現喝全脂牛奶不會讓人變胖,體重不會變重。你讀了可能覺得心裡怪怪的:「如果是全脂牛奶,飽和脂肪的比率不是很高嗎?這樣攝取那麼多飽和脂肪對身體應該不好吧?」沒錯,這樣的懷疑是有道理的,我們繼續來看看研究結果怎麼說!

好,直接講結論:在研究結果裡,不管是喝全脂牛奶,抑或喝低脂、零脂牛奶,都不會增加一個人罹患心血管疾病、中風、心肌梗塞等的機率,也不會增加其死亡率

究竟為什麼?這樣想好了,我們如果從「不喝牛奶」,改成「喝牛奶」,那改變了什麼?少掉了什麼?

假如我們把牛奶當成飲品的一種,原本自己喜歡喝含糖大杯飲料、喝果汁,後來改成喝一杯牛奶,那對身體當然是好的,甚至此舉還可能會降低你的血壓,對血糖控制也有幫助。

假如我們把牛奶當成蛋白質來源的一種,那原本自己都是吃了一堆紅肉,甚至加工紅肉,自從喝牛奶之後就減少了紅肉的攝取,那對身體當然也很好,絕對能減少罹患心血管疾病的機會。

所以問題在於我們開始喝牛奶之後,我們的飲食選擇上做了怎樣的調整。用牛奶替換掉較不健康的含糖飲料、加工紅肉,對身體健康是很不錯的改變

飲食選擇要通盤考量,不要相信某些超級食物能治百病,或設限自己攝取的食物種類。牛奶對身體健康有益處,尤其孩童時期補充奶類確實生長發育會好一些。年紀大了,也還是可以喝牛奶,喝牛奶不是我們發胖、或得三高的主因,如果能用牛奶替換掉一些更不健康的飲食習慣是不錯的。不過,想要靠奶類存骨本的話,記得不是單單喝牛奶就有效,務必要控制體重、和多做負重運動啊!

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你的世界我來扛!拯救世界的無名英雄:認識「植物健康年」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2020/07/10 ・3343字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

本文由 動植物防疫檢疫局 委託,泛科學企劃執行

在 1845 至 1862 年短短的十幾年內,愛爾蘭面臨了非常重大的危機,原有的 800 萬居民中有一百多萬人死亡、兩百多萬人移民,影響當地超過三分之一人口的生計。究竟發生了什麼事呢?經歷過 COVID-19 疫情的我們,會很自然聯想到「傳染病」,但這個答案只對了一半。當時造成災難的傳染病並不會感染動物或人類,而是一種以植物為寄主的疾病:「馬鈴薯晚疫病」(Potato Late Blight)。

晚疫病主要的寄主是馬鈴薯與番茄,當時大規模的傳染,使得原以馬鈴薯為主食的愛爾蘭人失去糧食,加上後續許多連帶效應,導致了嚴重的「大饑荒」。有句愛爾蘭俗諺流傳至今:「世界上有兩種東西開不得玩笑:一個是馬鈴薯,另一個是婚姻。」

作為生活在地球上的一份子,我們每日的生活都脫離不了植物。從熱帶雨林豐富多樣的熱帶植物,到荒涼沙漠中強韌耐旱、逢雨連夜繽紛盛開的沙漠植物,甚至是冰原之下不畏霜雪的苔蘚;每個生態系的組成,植物都在其中擔任要角。

保持「植物健康」既是地球生態系統的基礎,對維繫生命至關重要,更是人類糧食安全的保障。2018 年聯合國大會決議,宣佈 2020 年為「國際植物健康年」(International Year of Plant Health),旨於「保護植物,保障生活」提升全球對於「保護植物健康」之意識,進而遠離飢餓及貧窮、保護環境及促進經濟發展。

2020 國際植物健康年

植物的健康與我們的關係:糧食、環境、經濟

植物供給了我們每時每刻呼吸所需的氧氣、調節環境的溫度與濕度、也提供了絕大多數的食物。早餐的冰豆漿來自於黃豆,火腿蛋餅的原料包括小麥製作的麵皮,火腿與雞蛋等葷食追根溯源也來自於植物的養育;上班上課前換上的衣服,可能是棉花製成的牛仔褲以及亞麻材料的上衣。

植物在我們的生活中時時可見,但在都市化生活的今日,對很多人來說植物往往是「最熟悉的陌生人」:雖然在生活中不可或缺,卻也是「相見不相識」。這樣的生活模式,讓人們對於植物的貢獻常常視若無睹,更視為理所當然。

我們倚靠植物提供糧食、空氣以及其他生活中的各種所需,而當植物生病了,自然也會影響到我們的生活。而這樣的影響,可以非常龐大,正如前面提到過的「晚疫病」 就是個著名的例子。時至今日,植物的健康依然影響著人類的生活。依據聯合國糧農組織(Food and Agriculture Organization, FAO)的估計,全世界每年有高達 40% 的糧食作物因植物病蟲害而損失,造成數百萬人沒有足夠的食物可吃,並嚴重損害了農業、影響許多貧困地區的主要收入來源。

圖/Mabel Amber@Pixabay

植物的健康到底面臨了那些危機呢?

植物的健康與否,對人類的生活與經濟至關重要;而植物健康的維繫,則與人類的活動息息相關。近年來,氣候變遷以及人類活動讓許多生態系變得脆弱,植物健康也因此更容易受到危害。另一方面,國際間貿易與交流在過去十年內增加了三倍,許多病蟲害更有機會藉此傳播。外來疫病蟲害往往沒有能夠相互制衡的天敵,如果入侵後得以適應當地的氣候條件而立足,容易對植物及生態環境產生嚴重危害,進一步造成嚴重的糧食以及經濟損失。

植物的健康到底面臨了哪些危機呢?圖/Pexels@Pixabay

秋行軍蟲(fall armyworm, FAW)的擴散,是2019 年最受矚目的議題之一。秋行軍蟲學名 Spodoptera frugiperda,俗名草地貪夜蛾,原分布於美洲大陸,在 2016 年入侵非洲後,短短 3 年內,從非洲入侵到亞洲甚至東北亞,成為全球化的入侵種,被聯合國糧食及農業組織 (FAO) 列為全球預警的重要農業害蟲。據 FAO 統計,2019 年秋行軍蟲摧毀許多地區的農作物,危害多種經濟作物,包括玉米、高粱、水稻、棉花、十字花科、葫蘆科、茄科植物等,造成了龐大的經濟損失。

而植物的健康,除了影響農業以至於糧食的生產、經濟的損失,也會從其他意想不到的地方影響我們的生活。舉例來說,由於臺灣 2019 年初乾燥少雨,荔枝、龍眼的開花率較低,眼看收成不豐連帶影響果園管理,也因此造成某些地域主要危害荔枝及龍眼的荔枝椿象Tessaratoma papillosa大發生,此昆蟲再擴散到都市地區,甚至危害某些行道樹。此外荔枝椿象受到驚擾時會分泌毒液,人體皮膚沾染後會有紅腫過敏的情況,因此也造成了一些人生活的困擾。

「植物健康」離人們的生活並不遙遠,確保植物的健康既是確保生態環境的健康,也是確保人們擁有充足的糧食、安全的生活環境,並且維持重要的經濟命脈。那麼,在 2020 植物健康年,我們又可以怎麼樣維繫植物健康呢?

植物的健康,也是人們的健康

圖/lumix2004@Pixabay

植物健康的維繫與人類活動息息相關,在日常生活中,有許多選擇都可以做出改變。除了關懷環保議題,節能減碳救地球,對於植物健康,還有許多事我們可以一同努力。跟所有的健康議題一樣,「預防」永遠比治療來得有效。因此,為了維繫臺灣的植物健康,我們應阻止國外植物的疫病害蟲傳入、減少國內疫病害蟲的傳播,並且鼓勵更多人與團體也多關心植物健康。

在國內,農委會防檢局即推行許多政策維繫植物健康,如:

  1. 推廣健康種苗病害驗證制度:以防止系統性病害隨種苗傳播,目前推動的作物包括豇豆、馬鈴薯、草莓、甘藷、柑桔、綠竹、百香果及香蕉等 8 種作物。
  2. 作物有害生物整合性管理(IPM)示範與推廣:除了在作物生長期間定期辦理病蟲害監測,定期追蹤重大疫病蟲害如東方果實蠅、斜紋夜蛾、水稻稻熱病等的發生情形及共同防治。並且加強推動作物有害生物整合性管理(IPM)示範與推廣,目前結合農委會所屬試驗改良場所選定水稻、草莓、瓜類、番荔枝及茶等具有地區重要性的作物,擬定各種管理措施,適度導入各種非化學農藥資材,防治病蟲害的同時減少農藥使用、兼顧農業生產的安全。
  3. 外來入侵生物的防控:以荔枝椿象為例,在研究單位協助下,已針對荔枝椿象不同的階段訂出防治策略,依據作物生長期及椿象的生長階段,分別採取物理、化學或生物等防治方法,可望以最有效率的策略控制疫情、保護植物健康。
  4. 持續落實邊境檢疫把關,防杜疫病害蟲藉由進口貨物、入境旅客、國際郵件包裹傳入。

本次泛科學特別訪問到動植物防疫檢疫局鄒慧娟副局長,除了分享防檢局採行的政策,她也表示,一般民眾對於植物健康,當然可以盡一份心力。除了認識並關心植物健康,還可以多了解並遵守國內用以保護農業生產及生態環境,促進農產品安全的相關法規,例如植物防疫檢疫法農藥管理法等規定。並且在攜帶、網購或郵寄境外產品時,積極遵守植物檢疫相關規定及程序。另外,也可以多追蹤留意農委會動植物防疫檢疫局粉絲專頁之宣導事項,積極配合,若是發現疑似外來植物有害生物時,便能配合通報等。我們也可以透過消費來鼓勵企業多使用對環境友善之產品,促使他們在貿易及運輸植物或植物產品時,遵守植物檢疫的相關規定。

「植物是我們的好朋友,不管是食物、糧食、經濟,它都是人們不能或缺的夥伴。它的健康,跟我們的健康息息相關。」鄒慧娟副局長表示。

在享受每一天的同時,也別忘了感謝這個世界上的植物,多多關心它們的健康福祉。畢竟最終,身為動物的我們,需要靠植物才能獲取能量、拯救世界啊!

參考資料

本文感謝動植物防疫檢疫局鄒慧娟副局長接受採訪並提供資料。

本文由 動植物防疫檢疫局 委託,泛科學企劃執行

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股骨和生育
陸子鈞
・2011/03/08 ・714字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

圖片來自於nature

一種造骨細胞分泌的賀爾蒙,扮演掌控雄性生育力的角色。

由紐約哥倫比亞大學的遺傳學家,Gerard Karsenty所領導的團隊,透過對雄性老鼠的研究指出,骨鈣素似乎會促進固醇類性賀爾蒙生成,並提高生育力;這項研究發表於《cell》。

在人類身上,減少固醇類性賀爾蒙,將導致骨質流失。Karsenty和他的同事假設,相反地,減少來自骨骼的賀爾蒙,會降低性賀爾蒙及生育力。他們也推測,在雌性身上,影響會更顯著。Karsenty談到「一開始,我們打賭它(骨鈣素)對雌性的生殖影響大過於雄性」。

藉由基因轉殖技術,降低老鼠生成骨鈣素的量,研究人員持續發現,這種公鼠的生育力很低;但對母鼠卻沒影響。

超過十年以來,Karsenty的團隊測試了「骨頭是內分泌器官」這個想法。具體來說,其中一個作用是藉由影響胰島素分泌,來調節能量代謝。儘管研究的結果支持這個想法,但骨鈣素會影響能量代謝,仍然招受許多質疑,最主要的原因是因為很難在人類身上測試。若將這項新發現套用到人類身上,可能會比較單純。因為研究人員在老鼠身上發現,GPRC6A-這個在男性人類性腺也有的蛋白受器,會影響睪固酮生成,但不影響女性的卵巢。

Karsenty的團隊首次確認了骨鈣素或者造骨細胞,會影響睪固酮的生成,而不影響其他性荷爾蒙。在老鼠細胞培養中,他們也發現到,成骨細胞(osteoblasts)分泌的荷爾蒙,會作用於睪丸內的萊氏細胞,進而影響睪固酮合成。再者,研究人員也發現,老鼠體內具有較低的骨鈣素,則睪固酮濃度也較低;每一窩產下的幼鼠數量也較正常成鼠少。

「我認為這使得中間的關聯比較容易被確定」,研究骨鈣素的內分泌學家Mark Cooper說到。他認為這項研究使我們能更了解骨頭扮演的多重角色。

資料來源:NatureNews  [17 February 2011]

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