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课标版 生物 第36讲 胚胎工程与生态工程,知识一 胚胎工程 一、体内受精和早期胚胎发育 1.精子与卵子的发生,2.受精 (1)精子获能:刚排出的精子,不能立即与卵子受精,必须在 雌性动物 生殖道 内发生相应的生理变化后,才能获得受精能力。 (2)卵子的准备:卵子要在输卵管内进一步成熟,到 减中期 (时期), 才具备与精子受精的能力。 (3)受精过程主要包括:精子穿过 放射冠和透明带 ,进入卵细胞膜, 原核形成和融合。 3.胚胎发育过程:受精卵卵裂囊胚原肠胚组织器官分化幼体。 (1)哺乳动物的早期胚胎发育是在 输卵管 中进行的,一般到桑椹胚,期进入子宫,囊胚期着床。 (2)卵裂:细胞分裂方式是 有丝分裂 。 (3)囊胚:由滋养层细胞和内细胞团构成, 内细胞团 细胞具有发育全 能性,能分化出幼体动物的所有组织器官。 (4)原肠胚:出现了 三 个胚层和原肠腔。 二、体外受精、胚胎移植、胚胎分割与胚胎干细胞 1.体外受精 (1)精子的采集与获能:采集方法有 假阴道 法、手握法和电刺激法 等;获能方法有 培养 法和化学诱导法。 (2)卵母细胞的采集和培养:给哺乳动物注射 促性腺 激素,使其超数,排卵,然后从 输卵管 中冲出卵子;也可从废弃的卵巢或活体卵巢中 采集,但需要培养到 减中期 时,才可受精。 (3)体外受精:获能的精子和成熟的卵子在相应溶液中受精。 2.早期胚胎培养 (1)培养液成分:无机盐、有机盐(两盐); 维生素、激素 (两素); 氨基酸、核苷酸 (两酸),另外还有水、血清等。 (2)胚胎去向: 向受体移植或冷冻保存 。 3.胚胎移植 (1)地位:胚胎工程其他技术的最后一道工序。 (2)过程:,(3)意义:充分发挥 雌性优良个体的繁殖潜能 。 4.胚胎分割 (1)材料:发育良好,形态正常的 桑椹胚或囊胚 。,(2)实质:胚胎分割可增加动物后代,其实质是 动物的无性繁殖或克隆 。 (3)注意:对囊胚分割时,注意将 内细胞团 均等分割,否则会影响分 割后胚胎的恢复和进一步发育。 5.胚胎干细胞 (1)来源: 早期胚胎或原始性腺 。 (2)特点:形态上,体积小、核大、核仁明显;功能上具有 发育的全能 性 ;体外培养条件下可以 增殖而不分化 。 (3)培养过程,1.请回答下列与哺乳动物精子和卵子发生有关的问题: (1)精细胞经变形后,高尔基体发育形成精子的顶体,顶体内含有的 能协助精子穿过卵母细胞的放射冠和透明带。 (2)某动物排卵时,减数第一次分裂尚未完成,此时卵子处于 卵母 细胞阶段,当该细胞发育至减数第二次分裂 期时,才具备受精能 力。若在卵细胞膜和透明带之间看到两个极体,则表明 过程已完成。 (3)将动物的早期胚胎移植到同种且 与供体相同的动物体内,使之 继续发育为新个体的技术叫做胚胎移植。为了获得更多的早期胚胎,常用,激素对供体进行处理,其目的是获得更多的 ,经人工授精 后可得到早期胚胎。用某染料鉴定胚胎细胞是否为活细胞时,发现活胚胎 细胞不能被染色,原因是活细胞膜 。 (4)若要通过胚胎移植获得遗传物质完全相同的两个新个体,可对发育到桑 椹胚期或囊胚期阶段的早期胚胎进行 处理,再植入受体内。若要 对早期胚胎进行长期保存,应将其置于 条件下。 答案 (1)顶体酶 (2)初级 中 受精 (3)生理状态 促性腺 卵母细胞 对物质的吸收具有选择透过性 (4)胚胎分割 冷冻(或液氮),解析 (1)精子与卵子相遇后,发生顶体反应,顶体内的顶体酶释放出来,直 接溶解卵丘细胞之间的物质,随后将透明带溶出一条孔道,从而协助精子穿 过卵母细胞的放射冠和透明带。(2)排出的卵子减数第一次分裂尚未完成, 所以处于初级卵母细胞阶段,排出的卵子在输卵管内进一步成熟,当发育至 减数第二次分裂中期时,才具备与精子受精的能力。卵子完成受精的标志 是卵细胞膜和透明带之间可以观察到两个极体。(3)胚胎移植要求是将早 期胚胎移植到同种且生理状态相同的其他雌性动物体内。用促性腺激素 进行超数排卵处理,使供体产生更多的卵母细胞,从而获得较多的早期胚 胎。由于细胞膜具有选择透过性,所以染料不能进入活细胞,因而活胚胎细 胞不能被染色。(4)胚胎分割属于无性繁殖技术。对胚胎进行长期保存一,般放入-196 的液氮中。,2.如图表示哺乳动物胚胎发育的几个阶段,请据图回答: (1)写出各个阶段的名称。 A: ;B: ;C: 。 (2)写出图中各标号的名称。,2 ;4 ;5 ;7 ;8 。 (3)A时期的细胞具有发育上的 性,B时期开始出现 ,C时 期开始出现 。 (4)2将来发育成 。 (5)动物胚胎是由合子经有丝分裂形成的,仅由一个精子和卵子结合成合子 的生理基础是 。 答案 (1)桑椹胚 囊胚 原肠胚 (2)内细胞团 囊胚腔 外胚层 原肠腔 内胚层 (3)全能 细胞分化 胚层分化 (4)胎儿的各种组织,(5)透明带反应、卵细胞膜反应 解析 (1)图中A是桑椹胚,B是囊胚,C是原肠胚。(2)图B中1是滋养层,2是 内细胞团,3是透明带,4是囊胚腔,图C中5是外胚层,6是滋养层,7是原肠腔,8 是内胚层。(3)桑椹胚细胞具有全能性;囊胚开始出现细胞分化,已分化为 滋养层细胞和内细胞团细胞;原肠胚已有胚层分化。(4)内细胞团细胞将发 育为胎儿的各种组织,滋养层细胞将发育为胎膜和胎盘。(5)受精时的透明 带反应和卵细胞膜反应是防止多精入卵的两道屏障。,3.如图为经过体外受精和胚胎分割移植培育优质奶牛的过程,请回答下列 问题: (1)A细胞是 ,在进行体外受精前要对精子进行 处理。 (2)进行胚胎分割时,应选择发育到 时期的胚胎进行操作。 (3)指的是 。,(4)通过胚胎分割产生的两个或多个个体具有相同遗传性状的根本原因是 。 (5)在对囊胚阶段的胚胎进行分割时,应注意 。 (6)受体母牛必须和供体属于 。移植后的胚胎能在受体子宫中存 活的生理基础是 。 答案 (1)(次级)卵母细胞 获能 (2)桑椹胚或囊胚 (3)囊胚腔 (4)具有相同的遗传物质 (5)将内细胞团均等分割,以免影响分割后胚胎的恢复和进一步发育,(6)同一物种 受体子宫对外来胚胎不发生排斥反应 解析 本题考查胚胎工程的应用。将获能精子与处于减数第二次分裂 中期的次级卵母细胞融合即可得到受精卵,受精卵经过体外培养形成早期 胚胎,为了快速繁育优良品种,可以采用胚胎分割的技术手段,即选择发育 良好、形态正常的桑椹胚或囊胚进行分割,分割后产生的个体所含的遗传 物质相同。在对囊胚阶段的胚胎进行分割时,要注意将内细胞团均等分割, 以免影响分割后胚胎的恢复和进一步发育。大量的研究已经证明,受体对 移入子宫的外来胚胎基本上不发生免疫排斥反应,这为胚胎在受体内的存 活提供了可能。,知识二 生态工程 一、生态工程与生态经济 1.人类设计生态工程的根本目的是遵循自然界物质循环的规律,充分发 挥资源的生产潜力,防止环境污染,达到 生态效益与经济效益 的同 步发展。 2.生态工程的特点: 少消耗、多效益、可持续 。 3.生态经济:主要是通过实行“循环经济”的原则,使一个系统产出的污 染物,能够成为本系统或者另一个系统的生产原料,从而实现 废弃物,的资源化 ,而实现循环经济最重要的手段之一就是 生态工程 。 二、生态工程所遵循的基本原理 1. 物质循环再生 原理:物质能够在各类生态系统中,进行区域小循 环和全球地质大循环,循环往复,分层分级利用,从而达到取之不尽、用之 不竭的效果。 2.物种多样性原理:一般而言,物种繁多而复杂的生态系统具有较高的 抵抗力稳定性 。 3.协调与平衡原理:处理好生物与环境的协调与平衡,除了考虑生物的生 态适应性外,还需要考虑 环境承载力(或环境容纳量) 。 4. 整体性 原理:人类处在一个社会经济自然复合而成的巨大,系统中,进行生态工程建设时,不但要考虑到自然生态系统的规律,还要考 虑到经济和社会等系统的影响力。 5.系统学和工程学原理:生态工程需要考虑 系统内部不同组分之间 的结构 ,通过改变和优化结构,达到改善系统功能的目的。另外,系统各 组分之间要有适当的 比例关系 ,只有这样才能顺利完成能量、物 质、信息等的转换和流通,并且实现总体功能大于各部分之和的效果,即 “1+12”。 三、生态工程的类型与设计原则 1.生态工程的类型:根据性质和设计目标的不同,生态工程可以分为以下 类型。,(1)具有农业生态保护性质并以农产品生产为目标的 农业生态 工程。 (2)以 环境保护 为目标的林业生态工程,包括水土保持生态工程、 防风固沙生态工程、水源涵养生态工程、城市绿化和园林生态工程等。 (3)以 治理环境污染 为目标的治污生态工程,包括污水治理生态工 程、城市垃圾处理生态工程、湖泊和水源地治理生态工程等。 2.设计实施生态工程坚持的原则 (1)首先肯定生态工程的作用,特别是对 恢复和重建受损生态环境 的重要作用。,(2)不忘大自然固有的强大的生态恢复力量,不能误认为只要有了生态工 程,就可以走发达国家“ 先污染、破坏,后治理 ”的老路。,1.阅读下列材料,回答问题: 某地开展物理生态示范实验研究工作,相继引种了浮水植物、沉水植物共 计10余种,在围隔区内已经形成了以沉水植物为优势的水生植物群落。试 验区内营养盐的浓度得到有效控制,如试验区内氨氮和总氮仅分别为试验 区外的1/13和1/5,有效地改善了水质。 (1)此项生态工程依据的生态学原理有 、 、 、 和 。 (2)生态工程的调控机制是 ,主要利用,的能源是 。 (3)一些发达国家的生态工程建设主要依据生态系统的 ,达到了以 为主, 为辅的程度。而在我国的生态工程建设中, 仍起着较大作用,强调按预期目标,因地制宜地调整复合生态系统的结构 和功能。 (4)生态工程的主要目的在于 。 答案 (1)物质循环再生原理 协调与平衡原理 整体性原理 系统学 和工程学原理 物种多样性原理 (2)人为辅助下的自我调节 太阳能,(3)自我调节理论 回归自然 人为调控 人为调控 (4)建造和调控人工生态系统,使生物与环境之间变得高效和谐 解析 生态工程的建设一是要遵循生态学原理,另外还要注意对于人与 自然和谐发展的调控。目前我国的生态工程和西方国家的生态工程建设 所处的阶段不同,因而追求的目标也不尽相同,但总之都是为了使生物和环 境之间变得高效和谐。,2.某小组对市郊一农业生态系统进行调查后,经过交流绘制出了如图所示 的生态工程示意图。据图回答有关问题: (1)该生态系统中的主要成分是 ,图中的食用菌属于生态系统成分,(4)物质循环再生 解析 (1)生态系统的主要成分是生产者,即图中的农作物。食用菌属于 腐生真菌,在生态系统中属于分解者。以农作物为食的生物属于第二营养 级,包括人和家禽、家畜。(2)建立生态农业的目的是调整能量流动关系,使 能量持续高效地流向对人类最有益的部分,由于实现了能量的多级利用,所 以该生态系统的能量利用率较高。(3)该农业生态系统中的食物网有两条 食物链:农作物家禽、家畜人;农作物人。(4)该生态系统实现了物 质的循环利用、分级利用,并且减少了环境污染,所以该生态农业的设计遵 循物质循环再生原理。,3.如图为矿区生态恢复工程流程图,请据图回答: (1)该恢复工程中,分别指 措施。 (2)恢复植被的措施是植树和种草,为什么不是种植农作物? 。 (3)该生态工程所遵循的主要原理是 。,答案 (1)压实土地,人工制造表土 (2)矿区土壤条件恶劣不适宜农作物的生长 (3)整体性原理、协调与平衡原理 解析 该矿区生态恢复工程体现了整体性原理、协调与平衡原理。首 先因土壤水肥状况差,应压实土地,制造表土;其次选择种植合适的树、草, 进而在获得生态效益的基础上,协调发展经济效益和社会效益。,突破一 胚胎工程 1.胚胎工程的操作流程分析,理变化是相同的。 收集的生理基础:早期胚胎形成后,未与母体子宫建立联系,而是处于游 离状态。 在受体内能够存活的生理基础:受体对移入子宫的外来胚胎基本不发 生免疫排斥反应。 供体胚胎正常发育的生理基础:供体胚胎可与受体子宫建立联系,且不 影响供体胚胎的遗传特性。 (2)胚胎移植的实质:是早期胚胎在相同生理环境条件下空间位置的转换, 而胚胎本身的遗传物质并不发生改变,因此各种性状能保持其原来的优 良特性。,(1)胚胎移植的生理学基础 能够移入受体的生理基础:哺乳动物排卵后,同种供受体生殖器官的生,(3)胚胎移植的优势:充分发挥雌性优良个体的繁殖潜力,从而大大缩短了 供体本身的繁殖周期,大大推动了畜牧业的发展。 (4)胚胎移植过程中两次使用激素,第一次常用孕激素对受、供体进行同 期发情处理;第二次用促性腺激素处理供体使其超数排卵。 (5)胚胎移植过程中有两次检查:第一次对收集的胚胎进行检查;第二次对 受体母畜是否妊娠进行检查。 2.试管动物与克隆动物的比较,典例1 如图是畜牧业生产上培育某种优良种牛的两种方法,请分析回答 下列问题。 (1)方法和方法均用到的生物技术有 和 。 (2)用激素处理的目的是使B牛 ,从B牛体内获得的卵母细胞需要,培养到 (时期)才能与精子结合。 (3)A牛的精子要与B牛的卵细胞结合,完成受精作用,必须先 。卵 子受精的标志是 。 (4)生产上常用 期的胚胎进行胚胎移植。若希望同时获得多个性 状相同的家畜个体,可以使用 技术。 解析 (1)方法、中都用到了动物细胞培养技术和胚胎移植技术。 (2)超数排卵应用促性腺激素处理,获得的卵母细胞需要培养到减数第二次 分裂中期才能与精子结合。(3)体外受精前应该让精子获能,然后才能完成 受精作用。卵子受精的标志是卵黄膜和透明带之间能观察到两个极体。 (4)胚胎移植常用桑椹胚或囊胚进行,胚胎分割能同时获得性状相同的多个,个体。 答案 (1)动物细胞培养 胚胎移植 (2)超数排卵 减数第二次分裂中期 (3)获能 在卵黄膜和透明带的间隙能够观察到两个极体 (4)桑椹胚或囊胚 胚胎分割,1-1 如图表示利用胚胎干细胞(ES细胞)所作的一系列研究,请据图分析回 答。 (1)上图中的胚胎干细胞(ES细胞)可以从 和 中分离获取。 (2)过程将胚胎干细胞置于射线灭活的鼠胎儿成纤维细胞的饲养层上, 并加入动物血清、抗生素等物质,维持细胞不分化的状态。在此过程中,饲,养层提供干细胞增殖所需的 ,加入抗生素是为了 。该过 程对于研究细胞分化和细胞凋亡的机理具有重要意义。 (3)过程将带有遗传标记的ES细胞注入早期胚胎的囊胚腔,通过组织化学 染色,用于研究动物体器官形成的时间、发育过程以及影响因素,这项研究 利用了胚胎干细胞具有 的特点。在哺乳动物早期发育过程中,囊 胚的后一个阶段是 。 (4)过程是培育转基因小鼠,将获得的目的基因导入胚胎干细胞之前需构 建基因表达载体,目的是 。将构建好 的表达载体导入胚胎干细胞最常用的方法是 。 (5)过程得到的小鼠畸胎瘤里面全是软骨、神经管、横纹肌和骨骼等人,类组织和器官。实验时,必须去除小鼠的胸腺,使其存在免疫缺陷,其目的 是 ,该过程研究的意义在于解决 问题。 (6)该研究中,包含的生物技术有 (至少写出两种)。 答案 (1)早期胚胎 原始性腺 (2)营养物质 防止杂菌污染 (3)发育的全能性 原肠胚 (4)使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以传给下一代,同时,使目的 基因能够表达和发挥作用 显微注射法,(5)使移植组织细胞不会被排斥 临床上供体器官不足或器官移植后免疫 排斥等 (6)动物细胞培养、转基因、早期胚胎培养、胚胎移植 解析 (1)胚胎干细胞(ES细胞)可以从早期胚胎和原始性腺中分离获 取。(2)胚胎干细胞培养时所用的饲养层细胞可以供给干细胞增殖所需的 营养物质,加入抗生素是为了防止杂菌污染。(3)胚胎干细胞具有发育的全 能性,将带有遗传标记的ES细胞注入早期胚胎的囊胚腔,通过组织化学染 色,用于研究动物体器官形成的时间、发育过程以及影响因素。在哺乳动 物早期发育过程中,囊胚的后一个阶段是原肠胚。(4)基因工程中,构建基因 表达载体的目的是使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以传给下一,代,同时使目的基因能够表达和发挥作用。将基因表达载体导入动物细胞 最常用的方法是显微注射法。(5)去除小鼠的胸腺,小鼠不能形成T细胞,不 发生细胞免疫,使移植组织细胞不会被排斥。过程研究对于解决临床上 供体器官不足或器官移植后免疫排斥等问题有重要意义。(6)题中的研究 过程包含动物细胞培养、转基因、早期胚胎培养、胚胎移植等生物技术。,突破二 生态工程 1.生态工程的原理比较,2.生态工程的实例分析,典例2 (2011课标,40,15分)现有一生活污水净化处理系统,处理流程为 “厌氧沉淀池曝气池兼氧池植物池”,其中植物池中生活着水生植 物、昆虫、鱼类、蛙类等生物。污水经净化处理后,可用于浇灌绿地。回 答问题: (1)污水流经厌氧沉淀池、曝气池和兼氧池后得到初步净化。在这个过程 中,微生物通过 呼吸将有机物分解。 (2)植物池中,水生植物、昆虫、鱼类、蛙类和底泥中的微生物共同组成了 (生态系统、群落、种群)。在植物池的食物网中,植物位于第,营养级。植物池中所有蛙类获得的能量最终来源于 所固定 的 能。 (3)生态工程所遵循的基本原理有整体性、协调与平衡、 和 等原理。 (4)一般来说,生态工程的主要任务是对 进行修复,对造成环 境污染和破坏的生产方式进行改善,并提高生态系统的生产力。 解析 (1)依据题干提供的信息分析,污水流经厌氧沉淀池时,有些微生物 能通过无氧呼吸分解有机物;流经曝气池时,有些微生物能通过有氧呼吸分 解有机物;流经兼氧池后,微生物能通过有氧呼吸和无氧呼吸分解有机物。 (2)据本小题提供的信息可推知植物池中所有的生物构成了群落。植物处,于食物链的第一营养级;植物池中所有蛙类获得的能量最终来源于生产者 所固定的太阳能。(3)生态工程所遵循的基本原理有整体性原理、协调与 平衡原理、物质循环再生原理、物种多样性原理、系统学和工程学原理 等。(4)根据本小题中提供的信息可推测出,生态工程的主要任务是对已被 破坏的生态环境或受损的生态系统进行修复。 答案 (1)无氧和有氧(或细胞) (2)群落 一 生产者 太阳 (3)物质循环再生 物种多样性 (4)已被破坏的生态环境(或受损的生态系统),2-1 在社会主义新农村建设中,某县积极发展畜禽养殖和栽桑养蚕两大支 柱产业。在生产总量不断提高的同时,该县坚持在发展中解决环境问题,优 化生态环境,实现资源的最大化利用,走出了一条适合本地区可持续发展的 生态工程之路。请分析图回答问题:,(1)该生态工程所遵循的基本原理有 。(写出两个) (2)该生态系统的能量流动从 开始,图 中属于消费者的生物有 。 (3)与传统农业生态系统相比,该生态系统更能净化环境,其主要原因是 。 (4)该生态系统为何能提高经济效益? 。 (5)根据该县地处水乡这一资源优势,请就该生态系统提出你的一条合理化 建议: 。,答案 (1)物质循环再生原理、物种多样性原理、协调与平衡原理、系 统学和工程学原理 (2)桑、油菜等生产者固定的太阳能 蚕、禽、畜 (3)粪便等“废弃物”被及时利用 (4)实现了物质的循环利用和能量的多级利用,提高了农产品的产量;减少 了化肥、农药的使用(降低了农业成本投入) (5)蚕沙碎屑用来养鱼;鱼塘塘泥用来肥田 解析 (1)生态工程的基本原理有物质循环再生原理、物种多样性原 理、协调与平衡原理、整体性原理及系统学和工程学原理。该生态工程 依据的是物质循环再生原理、物种多样性原理、 协调与平衡原理、系统 学和工程学原理。(2)生态系统的能量流动是从生产者固定的太阳能开始,的,因而该生态系统能量流动是从桑、油菜等生产者固定的太阳能开始,消 费者是蚕、禽、畜等。(3)由图可知,该生态系统实现了废弃物再利用及无 害化处理,因此更能净化环境。(4)该生态系统实现了物质的循环利用和能 量的多级利用,降低了生产成本,提高了农产品的产量。(5)该生态系统中, 蚕沙碎屑未被利用,可利用蚕沙碎屑养鱼,鱼塘的塘泥还可用作肥料。,2-2 如图是我国南方尝试的农业生态系统的结构图,它利用雏鸭旺盛的杂 食性,吃掉稻田里的杂草和害虫,利用鸭不间断的活动产生中耕浑水效果, 刺激水稻生长,用作物养猪、养鸭,用稻秆培育蘑菇、生产沼气,猪鸭粪、 沼渣肥田,生产出无公害的大米与蛋肉类。请据图回答下列问题:,(1)从生态学角度分析,人们建立图示的农业生态系统的主要目的是 。 该系统中将植物秸秆、动物粪便等废弃物合理地进行了应用,这体现了生 态工程中的 原理。 (2)该系统将多个生产系统通过优化组合,有机整合在一起,提高了系统生产 力,这体现了生态工程中的 原理。生产的大米无公害的原因是 。 (3)将蘑菇房与蔬菜大棚相通,可提高蔬菜产量,试分析其增产原因 。 (4)蘑菇房与蔬菜大棚相通,比单纯种植蔬菜和单纯培育蘑菇带来的效益之 和还要高,体现了生态工程中的 原理。,答案 (1)实现生态系统内能量和物质的多级利用,提高农产品的产量,减 少环境污染(合理地调整生态系统中的能量流动关系,提高能量利用率,减 少环境污染) 物质循环再生 (2)系统的结构决定功能 减少了化肥和农药的使用量,减少了对水稻的污 染 (3)蘑菇呼吸产生的二氧化碳可以供蔬菜进行光合作用,使其光合作用增强 (4)系统整体性 解析 (1)从生态学角度分析,人们建立农业生态系统的主要目的是实现 生态系统内能量和物质的多级利用,提高农产品的产量,减少环境污染。该 系统中将植物秸秆、动物粪便等废弃物合理地进行了应用,这体现了生态,工程中的物质循环再生原理。(2)该系统将很多单个生产系统通过优化组 合,有机整合在一起,提高了系统生产力,这体现了生态工程中的系统的结 构决定功能原理。图示生态系统中减少了化肥和农药的使用量,减少了对 水稻的污染,因此,生产的大米是无公害大米。(3)将蘑菇房与蔬菜大棚相 通,蘑菇呼吸产生的二氧化碳可以进入大棚,供蔬菜进行光合作用,使其光 合作用增强,从而提高蔬菜产量。(4)蘑菇房与蔬菜大棚相通,比单纯种植蔬 菜和单纯培育蘑菇带来的效益之和还要高,体现了生态工程中的系统整体 性原理。,
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