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日頭赤炎炎,隨鳥顧性命–織巢鳥如何在沙漠保持涼爽體溫?

活躍星系核_96
・2015/08/04 ・1560字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

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source:natureofanimals
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作者:劉鎮 臺大森林環境暨資源學系研究助理

剛過完端午,臺灣的戶外氣溫就不斷的扶搖直上。新聞報導不斷刷新最高溫的記錄。上班通勤時走在路上10分鐘總是會讓襯衫濕透,中午吃飯時都渴望要買個搖搖杯,最好加點檸檬和冰塊,才可以消除我心頭之火。「這一定是全球暖化!」,每天facebook的塗鴉牆上都有人如此哀嚎著。

你或許可以用冷氣、冰品和啤酒熬過炎炎夏日的悶熱,那在沙漠中的小鳥該怎麼辦?

美國新墨西哥大學的生物學家布萊爾.沃夫(Blair Wolf)教授和南非茨瓦内大學的安德魯·麥基奇尼(Andrew MCKechnie)教授對鳥兒喘氣散熱的行為提出新的疑問,生長在沙漠的小鳥耐熱的極限大概是幾度?生長在沙漠的小鳥又是用哪種行為或生理機制保持體溫低於環境溫度?鳥類的體型是否會和耐熱的能力有所關連?

於是研究團隊抵達了非洲的格拉哈里沙漠(Kalahari Desert)。小心翼翼的繫放捕捉三種生長在沙漠的織布文鳥科(Ploceidae)鳥類。分別為鱗額編織雀Sporopipes squamifrons, scaly-feathered weaver,大約重10公克),群織雀Philetairus socius, sociable weaver,大約重25公克),和紋胸織布鳥Philetairus socius, white-browed sparrow-weaver,大約重39公克)。

由左至右依序為scaly-feathered weaver、sociable weaver、white-browed sparrow-weaver。
由左至右依序為鱗額編織雀群織雀紋胸織布鳥

為了回答以上問題,研究團隊在三種織巢鳥的腹部置入記錄器,以記錄體溫、代謝率和體內水分蒸發率。然後把三種小鳥放在放置在人工的環境中,將室溫從攝氏25度升高至54度,測量三個數值的變化情形。除此之外,為了保護小鳥不要熱成烤小鳥,當小鳥出現異常狀況時,研究人員會馬上用冷氣和酒精幫小鳥降溫。

在經過一番冷熱三溫暖後,研究團隊發現紋胸織巢鳥耐高溫的極限是攝氏54度,群織雀耐高溫的極限是攝氏52度。當三種織巢鳥在極限高溫的時候,會開始劇烈的喘氣,增加代謝能力和體內的水份蒸發。喘氣時鱗額編織雀蒸發的水份增為平常的10.8倍;群織雀蒸發的水份增為平常的18.4倍;紋胸織布鳥蒸發的水份增為平常的16倍。

最神奇的地方是,雖然高代謝率產生出的熱量比平常更多,但是利用喘氣蒸發體內水份的方式卻更有效率的帶走代謝體內產生的溫度,可以帶走正常代謝產生熱量的41-122%。所以喘氣提高代謝率不會讓織布鳥更熱,反而讓織布鳥可以在高溫環境中保持低溫。

生存在熱帶的沙漠環境中,保持低溫可是保命的首要關鍵。有研究指出,氣候變遷使沙漠熱浪頻率增高,嚴重讓小鳥的死亡率增高[3]。在炎熱的天氣下,若小鳥無法從環境與食物中攝取足夠的水份,小鳥就會開始降低活動力,也會開始顯得虛弱[4.5]。太熱的天氣也會降低取得水份的效率,讓小鳥在找水的過程中喪失更多的水份。所以在熱天中讓適當的覓食更加困難[5]。麥基奇尼的研究團隊在最新的發表中指出,在乾燥的沙漠與半沙漠環境中生活的紋胸織布鳥即使觀察起來和平常無異,但事實上體內缺水的風險也較大[6]。

了解了織巢鳥保持涼爽的原理後,我開始羨慕織巢鳥的特異功能。如果人類在酷熱的盛夏可以用喘氣來降溫,就不需要耗費大量的電力與金錢在製造冷氣上,或許人類活動對生態的衝擊會變小一點。而在沙漠的小鳥們,也希望熱浪不要一直來啊!

參考資料:

  1. Hot birds pant to keep cooler than air》 The journal of experimental biology
  2. Whitfield, M. C., Smit, B., McKechnie, A. E., & Wolf, B. O. (2015). Avian thermoregulation in the heat: scaling of heat tolerance and evaporative cooling capacity in three southern African arid-zone passerines. The Journal of experimental biology, 218(11), 1705-1714.
  3. McKechnie, A. E., & Wolf, B. O. (2009). Climate change increases the likelihood of catastrophic avian mortality events during extreme heat waves. Biology Letters, rsbl20090702.
  4. Bartholomew, G. A., & Cade, T. J. (1956). Water consumption of house finches. Condor, 406-412.
  5. du Plessis, K. L., Martin, R. O., Hockey, P. A., Cunningham, S. J., & Ridley, A. R. (2012). The costs of keeping cool in a warming world: implications of high temperatures for foraging, thermoregulation and body condition of an arid‐zone bird. Global Change Biology, 18(10), 3063-3070.
  6. Smit, B., & MCKechnie, A. E. (2015). Water and energy fluxes during summer in an arid‐zone passerine bird. Ibis.
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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致親愛的弗瑞曼人:一封來自地球的沙蟲愛好者之信——《沙丘》(一)
YTLai_96
・2022/10/21 ・3832字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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親愛的弗瑞曼人,您好:

展信愉快!我是一個來自地球的沙蟲愛好者,前陣子認真觀看了 2021 年底由傳奇影業在地球上發行的最新厄拉克斯星球生態人文記錄片「沙丘」,對厄拉克斯星球上的巨大生物、也是貴民族視為神的使者的「沙蟲」感到相當著迷與好奇。在我進一步翻閱描寫貴民族的重要文獻「沙丘」這套書,並且跟這套文獻典籍的其他同好討論過後,對於沙蟲有了更多的了解和體會,但也產生了更多的疑問。

最新的厄拉克斯星球生態人文記錄片2021年在地球上映了,規模之盛大,甚至還有預告片可以看呢!

冒昧寫這一封信給您,是希望能夠透過貴民族第一手的觀察和說明,解答我對沙蟲的一些疑惑。我完全理解沙蟲是弗瑞曼族人視為神的使者的存在,也請您相信我沒有一點點不敬的意思,我只想單純的從一個來自地球的沙蟲愛好者的角度,與族人分享我對沙蟲的理解、觀察和推測,並且期望族人們在尋找珍貴水源、躲避毒辣陽光、乃至與入侵者戰鬥的辛勞日常間,能夠撥冗提供我一點關於沙蟲的額外資訊和觀察,讓我確認我對沙蟲的觀察和推論是否合理或者大錯特錯,對我而言都會是莫大的鼓舞,我將不勝感激。


感謝您撥冗閱讀至此,接下來請允許我開始提出我對沙蟲的觀察、理解、以及讓我一籌莫展的困惑,誠摯期待您能夠分享弗瑞曼人與沙蟲共存千年的古老智慧和精準觀察,使我獲得解答。拜託您了!

首先,我的第一個問題是:沙蟲那麼大的體型,該如何應對龐大體重把自己壓垮、核心散熱不易、需要高效率的呼吸循環系統等困難呢?

根據弗瑞曼人的重要文獻「沙丘」所述,中型的沙蟲體長已達 200 公尺左右,目測到最大的沙蟲可達 400 公尺之多,傳說中在厄拉克斯星球的南極甚至有 750 公尺乃至 1 公里長的超巨大沙蟲。至於沙蟲的直徑,根據最新的生態人文記錄片「沙丘」還有歷來的生態人文記錄片畫面看來,中型沙蟲的嘴巴直徑至少就有 13 公尺左右,而且身體應該是呈現均勻的圓棒狀,身體後段也沒有看到明顯縮小延長的尾部。

沙蟲真的很大很大,幾可匹敵地球上最高的幾座建築物啊 圖/i redd it

這麼巨大的體型,第一個難題當然是龐大的體重了。在我們地球上已知的最大動物是藍鯨,長度只有30公尺、體高 4-5 公尺,但體重已經是 150 噸,這樣的重量讓藍鯨只能在水裡生活游動,一旦在海邊擱淺,自身的體重對於壓在底部的身體組織就會造成巨大的傷害。

相比之下,沙蟲直徑 13 公尺、長度 200 公尺的龐大軀體不僅是整天在沙漠中穿梭游動毫無水的浮力幫助,還能夠高舉頭部探出沙漠、甚至像鯨豚一樣躍出沙漠表面。從生態人文記錄片「沙丘」裡弗瑞曼人活動的畫面看來,厄拉克斯星球的重力應該跟地球差不多才對,但沙蟲這麼龐大的體型居然得以不被自身體重壓垮、還能夠這麼輕巧的在沙漠表面跳躍活動,想來必定有特殊的結構和材質,讓沙蟲可以兼顧強壯又輕巧吧?

擱淺的藍鯨,自身的體重就會對底部的身體組織造成巨大壓迫和傷害。 圖/wikimedia

容我猜想,沙蟲的身體或許類似地球上最大的現存樹種——世界爺一樣,以類似木質纖維素的複雜聚合物材質構成,這樣至少就有機會達到跟世界爺老樹乾材相仿的比重:0.3 Kg/L。如果沙蟲的身體主要由幾丁質構成,並且盡可能減少體內的含水率,那也大概可以達到 0.3 Kg/L 這樣的比重。

世界爺,地球上最大的樹種。圖/wikimedia

除此之外,我還有一個大膽的猜想:沙蟲龐大的身體裡面說不定其實充斥著許多氣囊和氣管系統,就好像地球上的飛行鳥類體內擁有的氣囊系統,再外加地球上眾多昆蟲體內的氣管系統一般。

這樣一來,沙蟲的身體就可以因為氣囊和氣管系統而更加大幅輕量化,減少被自身體重壓垮的機會,不但解決了體重難題,還可以依賴四通八達的氣囊、氣管與體表的氣孔,一併把龐大體型的核心餘熱排出體外,並且就近從周身的體表氣孔把氧氣帶進體內深處存在氣囊中,以備激烈運動時使用,形成高效率的呼吸系統與循環系統。

沙蟲的體內如果像中間的鳥類和底下的昆蟲一樣,具有許多氣囊和氣管,不僅能夠大幅減輕自身的重量,還可以解決核心的散熱問題以及呼吸系統的效率問題。 圖/wikimedia

更進一步而言,沙蟲體內如果充斥著氣囊和氣管系統,也能夠解釋沙蟲在沙漠中迅速游動的特殊移動能力:沙蟲藉著快速擠壓氣囊、從氣孔高速往前噴出氣流,就可以液化移動方向所在的沙團,於是得以像游泳一樣在沙漠中迅速悠遊。這樣液化沙子的機制在地球上已經有許多實例(例如下列影片),若是再搭配沙蟲體表鱗片的震動,勢必能夠加成液化沙子的效果,讓沙蟲移動更加無往不利。

這樣的推測,不也貼切符合了生態人文記錄片中,沙蟲在沙漠表面之下高速移動時前方冒出的大量煙塵、以及沙蟲冒出地表時沙地滾動如沸騰的現象嗎?

只要在沙中打入空氣,就可以讓沙子液化,沙蟲如果擁有氣囊、氣管與氣孔,往前大量高速噴氣應該就可以達成同樣效果,以在沙漠中游動。
適當的震動沙子也能夠讓沙子開始表現出液態性質,沙蟲或許也能夠藉由震動鱗片來達到這樣的效果。

不僅如此,勇敢的弗瑞曼人歷代相傳的駕馭沙蟲之術,藉由鉤子嵌入沙蟲的鱗片縫隙,稍微撬開鱗片讓沙蟲不適而轉身讓該處朝上,更持續在沙漠表面巡弋而不下沉的高超神技,或許也是因為沙蟲的鱗片下方有許多產生震動的精細構造,更有連結表面氣孔和體內氣囊的複雜氣管系統,於是當鱗片被撬出縫隙時,為了避免沙子滲漏進去造成傷害和問題,沙蟲也只好轉身讓鱗片縫隙處朝上,於是成就了勇氣與技術兼備的傳說美技。

近30年前的厄拉克斯星球生態記錄片,錄下了弗瑞曼人難得一見的沙蟲駕馭過程,當時耆老族人的說明以及沙蟲背上的噴氣氣孔,也證實了「沙蟲體內應有大量氣囊氣管連接到表面氣孔,以此噴氣來在沙漠中游動」的猜想。

我理解,這樣的大膽猜想或許使您感到意外,但請容我再次強調,我對弗瑞曼人視為神的使者一般的沙蟲,絕對沒有任何不敬之意。

我只是根據貴民族的重要文獻加上歷年來的厄拉克斯星球生態人文記錄片對沙蟲的描述和記錄,再結合我對地球動物的粗淺理解,做出「沙蟲體內可能有類似地球上的飛行鳥類的氣囊與昆蟲的氣管系統」這樣的推論。

而且坦白說,這樣的猜想推測不也正與沙蟲怕水、碰水會產生燒灼痛感、接觸大量水分將導致死亡的弱點不謀而合嗎?如果沙蟲體內有諸多氣囊和氣管系統,哪怕只是一點點水的入侵,水的黏附力可能就會造成大片的氣囊與無數氣管堵塞或塌陷,使得沙蟲組織缺氧過熱而迅速壞死,甚至引發骨牌效應牽連整個沙蟲導致死亡,您說有沒有道理呢?

當然無論如何,我畢竟只是遙遠地球上的一個沙蟲愛好者而已,我所能夠獲得的沙蟲資訊也相當有限,遠不及千百年來在厄拉克斯星球生活的弗瑞曼人您們切身經歷的萬一。

因此,如果可能的話,下次當您們以沙槌呼喚沙蟲前來、或者是又有哪位勇者騎上沙蟲的背橫越沙漠之時,麻煩幫我觀察一下,沙蟲體表是不是佈滿氣孔不斷吸吐空氣好嗎?

哪一天看到死去的沙蟲時,在哀悼之餘請也幫我仔細瞧瞧,沙蟲體內是不是佈滿氣囊與綿密的氣管系統好嗎?

噢對了,如果厄拉克斯星球大氣的氧氣濃度高於地球這邊的 20%,對沙蟲的氣囊和氣管系統會更有助益,不過我從生態人文記錄片裡面看不出來氧氣濃度,重要文獻裡面也沒寫,所以我也無從得知,如果您們能夠測量大氣中的氧氣濃度,那就可以多一項資訊做為參考和推測了。

大氣中氧氣濃度與昆蟲氣管系統中能夠獲得足夠氧氣的深度有關,沙蟲如果擁有氣囊和氣管系統,大氣中高一點的氧氣濃度對其龐大體型會相當有幫助。 圖/Arizona State University

行筆至此,也該是讓您的幽藍雙眼休息的時候了。誠摯的感謝您撥冗閱讀此信,期待弗瑞曼人能夠與我分享更多的沙蟲訊息,我將靜候來自厄拉克斯星球的佳音。

祝弗瑞曼族人們健康平安。

來自地球的沙蟲愛好者敬上

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YTLai_96
51 篇文章 ・ 23 位粉絲
也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著

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夏天真的「熱死」人!奪命熱浪無法擋?——《氣候緊急時代來了》
天下雜誌出版_96
・2020/07/03 ・2718字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

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  • 作者/大衛‧華勒斯—威爾斯 (David Wallace-Wells);譯者/張靖之

人類和所有哺乳動物一樣,是一台發熱機,要活命就必須不停散熱。而要散熱,氣溫須夠低,皮膚上的熱才能被空氣帶走,身體才能順利運作。

氣溫須夠低,皮膚上的熱才能被空氣帶走。圖/giphy

如果地球升溫 7 度,在赤道和熱帶地區,尤其是高溼度的悶熱地方,人體根本無法正常散熱,只需幾個小時,就會因為內外交迫的高溫而死。如果升溫 11 或 12 度,以現今的全球人口分布來說,將有一半的人會活活熱死。地球可能變得這麼熱嗎?如果我們不減碳,有氣候模型顯示,地球有可能在幾百年後漸漸升溫到這個程度。

其實,只要升溫 5 度,根據某些估算,地球有許多地區就會讓人類活不下去:夏天的密西西比河谷下游地區,會從清晨六點就無法從事任何勞力工作;住在美國洛磯山脈以東的人所須忍受的高溫之苦,更甚於目前世界上任何地方的居民,紐約市會比現在的巴林還要熱,而巴林這個目前全球最熱的地方之一,更會熱得「連人在睡夢中都會出現過熱症狀」。

地球在 2100 年前還不太可能升溫 5 或 6 度,但假如我們不改變目前的碳排放速度,聯合國 IPCC 提出的中位數預測是升溫 4 度以上。這已足以帶來難以想像的衝擊,例如野火將在美國西部肆虐,面積是現在的 16 倍;幾百個城市將被大水淹沒;從印度到中東,現在有幾百萬人口的城市,夏天一到都將熱得連踏出戶外都有生命危險。

其實這種情況會更早到來,地球升溫 2 度就是讓地球變得不再宜居的臨界點。你根本不用去考慮最糟結果,就已讓人頭皮發麻了。

最熱的十年剛過,但未來會更糟

直接的熱感有個關鍵因素,叫做溼球溫度,也測量溼度。方法很簡單:溫度計包在溼布套裡,再放到空氣中擺盪,測量出來的溫度就是溼球溫度。

目前,大多數地區的最高溼球溫度是攝氏 26 或 27 度,適宜人居的警戒線是 35 度,一旦超過,人會開始因高溫而死亡。我們還剩 8 度之差,但到達警戒線前,所謂的熱應力(heat stress)早已出現。

越來越熱的天氣,連出門都是問題。圖/giphy

從 1980 年以來,地球發生致命熱浪的次數逐年增加,如今更是當年的 50 倍,未來會更頻繁發生。歐洲從 1500 年至今最熱的五個夏天,都出現在 2002 年以後,聯合國 IPCC 已提出警告,未來部分地區每到夏天從事戶外工作都會變得有害健康。

就算我們順利達成巴黎協定的減排目標,喀拉蚩和加爾各答這些城市仍然每年都要面對像 2015 年那樣的致命熱浪。那次熱浪在印度和巴基斯坦造成幾千人喪生。

如果升溫 4 度,歐洲 2003 年那次致命熱浪會變成夏天的常態,那是歐洲大陸有史以來最糟糕的氣候事件,單日最高死亡人數達到 2,000 人,總計有 35,000 人死亡,其中法國就有 14,000 人。

美國通訊記者蘭格韋許(William Langewiesche)曾指出一個詭異的現象,在這次熱浪中,死者多半是身體硬朗的老人,體弱年長者反而較少,因為體弱老人大多在養老院或醫院裡受到照護。而那些受害的健康老人中,有不少是因家人去避暑而獨自留在家中,當家人在幾個星期後回來,才發現他們的屍體在屋內已腐爛多時。

情況肯定會愈來愈糟。如果「一切照常不減排」,根據科菲爾(Ethan Coffel)的研究小組在 2017 年的計算,到 2080 年以前,比目前全年最高溫還要熱的天數,會是現在的 100 倍,甚至可能達到 250 倍。科菲爾用的計算單位是人日數,結合受影響的人數和天數。屆時,每年會有 150 萬到 750 萬人日的溼球溫度等同於今天最嚴重的致命熱浪;另有 100 萬人日的溼球溫度超出人體所能承受。

致命熱浪不斷來襲,還越來越嚴峻

我…快…要…不…行…了…。圖/giphy

世界銀行估計,到了本世紀末,南美洲、非洲和太平洋熱帶地區的最涼爽月份,應該會比 20 世紀末的最熱月份還要熱。

20 世紀末也有致命熱浪。

  • 1998 年夏天,印度因熱浪致死人數有 2,500 人。

近年來,熱浪的溫度飆得更高了。

  • 2010 年,俄羅斯熱浪奪走 55,000 條人命,在這段期間莫斯科每天有 700 人熱死。
  • 2016 年,中東熱浪持續了好幾個月,伊拉克的 5 月高溫突破攝氏 40 度、6 月突破 45 度、7 月突破 50 度。大多數時候,只有到了夜晚,溫度才會降到 40 度以下(根據《華爾街日報》報導,一位來自納傑夫的什葉派神職人員宣稱,熱浪是由美國對伊拉克發動的電磁攻擊所造成,竟然有些伊拉克氣象學者也支持這種說法)。
  • 2018 年,巴基斯坦東南部又出現有紀錄以來最高的 4 月氣溫。

天氣熱,開空調就好了?

在印度,每個超過攝氏 35 度的熱天都會讓年度死亡率增加 0.75 個百分點,而在 2016 年 5 月就連續好幾天出現攝氏 50 度以上高溫。沙烏地阿拉伯的夏天經常出現這種高溫,因此夏季時每一天都要燒掉 70 萬桶石油,主要用在空調的供電。

我需要那個很 cool 的東西。圖/giphy

空調當然可以使人涼快一些,可是空調和電扇已占全球用電量 10%。預估到 2050 年前,需求還會增加到現在的 3 倍,甚至 4 倍。有預測顯示,到 2030 年以前,全球的冷氣機會再增加 7 億台;另一項研究則估計,到 2050 年以前,全世界會有超過 90 億台不同形式的冷卻設備。

撇開阿拉伯聯合大公國那些恆溫調控的購物商場不說,把冷氣機大批賣到地球上最熱、大部分還是最窮的地區,既不符合經濟效益,更遑論環保。

事實上,中東和波斯灣將會是氣候危機最嚴峻的地方之一。當地在 2015 年的熱指數錄得攝氏 73 度的高溫,最快再過幾十年,目前每年有 200 萬穆斯林參加的麥加朝覲,將會超出許多穆斯林身體所能承受的。

每年都有許多穆斯林前往麥加參與朝覲活動。圖/pixabay

不只是麥加的朝覲,在薩爾瓦多的甘蔗產區,有多達 20% 的人口(或 25% 的男性人口)會因為在甘蔗田工作,長期處於脫水狀態而導致腎衰竭;才不過短短二十年前,這些甘蔗田的氣候還很宜人。如果能夠洗腎,腎病患者大約可以活五年,但洗腎很貴,要是沒有經濟能力,患者的平均餘命只有幾個星期。

當然,熱應力會造成的身體傷害絕不僅止於腎臟。就在我寫下這句話的時候,在 2018 年 6 月中旬的加州沙漠裡,我家門外的溫度是攝氏 49 度,而這還不是最高紀錄。聯合國世界氣象組織指出,2010 年至 2019 年是有紀錄以來溫度最高的十年,並警告高溫將在未來助長更多極端氣候發生。

這就是為什麼宇宙學家會針對某個地球以外的星球說:宇宙中沒有任何一種像人類這樣的高等智慧生命,可以在像這樣不宜生命存活的環境裡演化成功。而每一個不宜居的星球都在提醒我們,需要有多麼獨特的一組條件,才有可能創造出足以供養生命的氣候環境。

——本文摘自《氣候緊急時代來了》,2020 年 4 月,天下雜誌

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