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第4節(jié)光合作用與能量轉(zhuǎn)化
第五章細胞的能量供應(yīng)和利用
問題探討
植物工廠
你參觀或聽說過植物工廠嗎?植物工廠在人工精密的控制光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度和營養(yǎng)液成分條件下,生產(chǎn)蔬菜和其他植物。有的蔬菜工廠完全依賴LED燈等人工光源,其中常見的是紅色、藍色和白色光源。
討論
1.靠人工光源生產(chǎn)蔬菜有什么好處?
2.為什么要控制二氧化碳濃度、營養(yǎng)液成分和溫度等條件?
1、靠人工光源生產(chǎn)蔬菜有什么好處?
用人工光源可以避免由于自然環(huán)境中光照強度不足導致光合作用強度低而造成的減產(chǎn)。同時,人工光源的強度和不同色光是可以調(diào)控的,可以根據(jù)植物生長的情況進行調(diào)節(jié),以使蔬菜產(chǎn)量達到最大。
二氧化碳濃度、營養(yǎng)液和溫度是影響植物生長的重要外部條件,因此要進行控制,以便讓植物達到最佳的生長狀態(tài)。
2、為什么要控制二氧化碳濃度、營養(yǎng)液成分和溫度等條件?
問題探討
在植物工廠里,人工光源可以為植物的生長源源不斷地提供能量。在自然界,則是萬物生長靠太陽。太陽光能的輸入、捕獲和轉(zhuǎn)化是生物圈得以維持運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。光合作用是唯一能夠捕獲和轉(zhuǎn)化光能的生物學途徑。那么植物捕獲光能的特定物質(zhì)和結(jié)構(gòu)是什么?
問題探討
第一課時捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)
第4節(jié)光合作用與能量轉(zhuǎn)化
玉米中有時會出現(xiàn)白化苗,白化苗由于不能進行光合作用,待種子中的營養(yǎng)成分消耗完后就會死亡,這說明光合作用離不開色素的作用。那么,綠葉中與光合作用有關(guān)的色素和結(jié)構(gòu)有哪些呢?它們有什么特點和功能呢?
一、捕獲光能的色素
1.實驗原理
①.綠葉中的色素能溶解在有機溶劑無水乙醇中,所以用無水乙醇可提取葉綠體中色素(萃取法)。
②.色素都能溶解在層析液中,但不同的色素在層析液中溶解度不同,溶解度高的隨層析液在濾紙條上的擴散得快,反之則慢。因此,綠葉中的色素隨層析液在濾紙條上的擴散速度不同,將不同的色素分離(紙層析法)。
探究實踐
(一)實驗——綠葉中色素的提取與分離
新鮮的綠葉(深綠,色素含量高。如菠菜的綠葉)
無水乙醇(可用體積分數(shù)95%的乙醇,加入適量無水碳酸鈉,除去乙醇中水分)
層析液(石油醚∶丙酮∶苯=20∶2∶1)
二氧化硅和碳酸鈣(研磨充分/防止研磨中色素被破壞)
2.實驗材料用具
(一)實驗——綠葉中色素的提取與分離
3.1提取色素
3.實驗步驟
稱取5g鮮葉,剪碎,放入研缽中
加少許的二氧化硅和碳酸鈣與10ml無水乙醇,迅速研磨
將研磨液倒入玻璃漏斗中進行過濾(單層尼龍布)
將濾液收集到試管中,用棉塞塞嚴(防止溶劑揮發(fā)和色素分子被氧化)
(一)實驗——綠葉中色素的提取與分離
3.2制備濾紙條
將干燥的定性濾紙剪成寬度小于試管直徑、長度小于試管長度的濾紙條,將濾紙條的一端剪去兩個角(減少邊緣效應(yīng),使濾液同時到達濾液細線),并在距這端1cm處用鉛筆畫一條細的橫線。
1cm
鉛筆線
要剪去兩角
3.實驗步驟
3.3畫濾液細線
用毛細吸管吸取少量濾液,沿鉛筆線均勻地畫出一條細線。等濾液干后再畫一到兩次。
3.實驗步驟
3.4分離色素
將適量的層析液倒入燒杯中,將濾紙條(有濾液細線的一端朝下)輕輕插入層析液中,隨后用棉塞塞緊試管口(防止層析液揮發(fā))。
注意:不能讓濾液細線接觸層析液(防止色素溶解在層析液中)
層析液
培養(yǎng)皿
3.實驗步驟
3.5觀察與記錄
胡蘿卜素
葉黃素
葉綠素a
葉綠素b
3.實驗步驟
4.實驗結(jié)果
葉綠素
類胡蘿卜素
(含量約3/4)
(含量約1/4)
葉綠素a(藍綠色)
葉綠素b(黃綠色)
胡蘿卜素(橙黃色)
葉黃素(黃色)
綠葉中的色素
功能:吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能
(一)實驗——綠葉中色素的提取與分離
5.注意事項
1.因丙酮和層析液都是易揮發(fā)且有一定毒性的有機溶劑,所以研磨要快,收集的濾液要用棉塞塞住,層析時要加蓋,盡量減少有機溶劑的揮發(fā)。
2.在研磨時要加少許二氧化硅,目的是為了研磨充分,有利于色素的提??;加少許碳酸鈣的目的是為了防止研磨過程中,葉綠體中的色素受到破壞。
3.分離色素時,一定不要讓濾紙條上的濾液細線接觸到層析液,這是因為色素易溶解在層析液中,導致色素帶不清晰,影響實驗效果。
(一)實驗——綠葉中色素的提取與分離
(一)捕獲光能的色素
1.色素的種類:葉綠素a和葉綠素b、胡蘿卜素和葉黃素
3.光譜和色素的吸收光譜
2.色素的功能:吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能
太陽光穿過三棱鏡時,不同波長的光會分散開,形成不同顏色的光帶稱為光譜。分別讓不同顏色的光照射色素溶液,可以得到色素的吸收光譜。
一、捕獲光能的色素
葉綠素和類胡蘿卜素的吸收光譜
葉綠素a和葉綠素b主要吸收;
胡蘿卜素和葉黃素主要吸收。
藍紫光和紅光
藍紫光
(二)色素吸收的光譜
1、溫室或大棚種植蔬菜時,應(yīng)選擇什么顏色的玻璃、塑料薄膜或補充光源?
選無色透明的塑料薄膜;大棚內(nèi)照明燈在功率相同的情況下,最好選藍紫光和紅光。
2、葉片呈現(xiàn)綠色的原因
綠葉中的色素對綠光吸收最少,綠光反射進入眼睛的量最多,所以葉片看起來是綠色的。
與生活的聯(lián)系
3、秋季為什么變黃了?
秋季溫度降低,葉綠素分子在低溫下被破壞,而類胡蘿卜素較穩(wěn)定,所以顯出類胡蘿卜素的顏色。
二、葉綠體的結(jié)構(gòu)適于進行光合作用
外膜
內(nèi)膜
基粒
基質(zhì)
類囊體
類囊體薄膜上
類囊體薄膜和基質(zhì)
色素分布:
酶分布:
1.葉綠體結(jié)構(gòu)
極細光束
均勻光照
極細光束照射
完全曝光
好氧細菌集中于葉綠體被光束照射的部位
好氧細菌分布于葉綠體所有受光部位
水綿
好氧細菌
黑暗無空氣
恩格爾曼的實驗一
2、葉綠體的功能
結(jié)論:氧是由葉綠體釋放出來的,葉綠體是光合作用的場所。
三棱鏡
好氧細菌聚集在紅光和藍紫光的區(qū)域
照射水綿
結(jié)論:葉綠體主要吸收紅光和藍紫光
綜合得出:葉綠體是光合作用的場所
恩格爾曼的實驗二
2、葉綠體的功能
1、恩格爾曼在選材、實驗設(shè)計上有什么巧妙之處?
水綿:
葉綠體呈螺旋式帶狀,便于觀察
好氧細菌:
確定釋放氧氣多的部位
無空氣黑暗環(huán)境:
排除氧氣和光的干擾
極細光束:
葉綠體上可分為光照多和光照少的部位(對比實驗)
暴露于光下:
驗證實驗結(jié)果
問題探究
2、在實驗二中,為什么大量的需氧細菌聚集在紅光和藍紫光區(qū)域?
因為水綿葉綠體上的光合色素主要吸收紅光和藍紫光,在此波長光照射下,葉綠體釋放氧氣多,適于好氧細菌在此區(qū)域分布
3、光合作用的場所只能是葉綠體嗎?
藍藻、光合細菌等沒有葉綠體也能進行光合作用
問題探究
光合作用與能量轉(zhuǎn)化
綠葉中色素的提取和分離
葉綠體的結(jié)構(gòu)適于進行光合作用
實驗原理
實驗過程
實驗結(jié)論
無水乙醇,層析液
葉綠素
類胡蘿卜素
紅光
藍紫光
藍紫光
色素
葉黃素
胡蘿卜素
葉綠素a
葉綠素b
(藍綠色)
(黃綠色)
(橙黃色)
(黃色)
含量約占3/4
含量約占1/4
形態(tài):
結(jié)構(gòu):
功能:葉綠體是進行光合作用的場所
課堂小結(jié):
1、如果在圓形濾紙的上都點開始,對葉綠體的色素進行層析,會看到什么現(xiàn)象?
會出現(xiàn)四個同心圓的色素帶,從外往里依次為:胡蘿卜素(橙黃色)、葉黃素(黃色)、cha(藍綠色)、chb(黃綠色)。
鞏固練習
2.四位同學,利用新鮮綠色菠菜葉進行葉綠體中色素的提取和分離實驗時,得到了四種不同的層析結(jié)果。下列分析錯誤的是
A.甲可能誤用蒸餾水作提取液和層析液
B.乙可能是因為研磨時加入無水乙醇過多
C.丙可能是正確操作得到的理想結(jié)果
D.丁可能是研磨時未加入CaCO3
鞏固練習
3.分別在A、B、C三個研缽中加2克剪碎的新鮮菠菜綠葉,并按下表所示添加試劑,經(jīng)研磨、過濾得到三種不同顏色的溶液,即:深綠色、黃綠色、幾乎無色。
處理ABC
SiO2(少量)+++
CaCO3(少量)-++
95%乙醇(10mL)+-+
蒸餾水(10mL)-+-
注:“+”表示加;“-”表示不加。
鞏固練習
試回答:
(1)A處理得到的溶液顏色是________,
原因是____________________。
(2)B處理得到的溶液顏色是________,
原因是________________________。
(3)C處理得到的溶液顏色是________,
原因是_______________________。
黃綠色
部分葉綠素受到破壞
幾乎無色
葉綠素不溶于水
深綠色
大量葉綠素溶于乙醇中
鞏固練習
第二課時光合作用的原理和應(yīng)用
第4節(jié)光合作用與能量轉(zhuǎn)化
指綠色植物通過葉綠體,利用光能,把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成儲存著能量的有機物,并且釋放出氧氣的過程。
1、光合作用的概念
二、光合作用的原理和應(yīng)用
(一)光合作用
CO2+H2O(CH2O)+O2
光能
葉綠體
2、光合作用的反應(yīng)式
(二)光合作用的原理
探究光合作用原理的部分實驗
思考討論
1、19世紀末,科學家普遍認為,在光合作用中,CO2分子的C和O被分開,O2被釋放,C和H2O結(jié)合成甲醛,然后甲醛分子縮合成糖。
2、1928年,科學家發(fā)現(xiàn)甲醛對植物有毒害作用,而且甲醛不能通過光合作用轉(zhuǎn)化成糖。
CO2
O2
C+H2O
甲醛
(CH2O)
(二)光合作用的原理
探究光合作用原理的部分實驗
思考討論
3、1937年,希爾發(fā)現(xiàn),在離體葉綠體的懸浮液中加入鐵鹽或其他氧化劑(懸浮液中有H2O,沒有CO2),在光照下可以釋放出氧氣。
希爾反應(yīng):離體的葉綠體在適當?shù)臈l件下發(fā)生水的光解、產(chǎn)生氧氣的化學反應(yīng)。
結(jié)論:水的光解產(chǎn)生氧氣。氧氣的產(chǎn)生和糖類的合成不是同一個化學反應(yīng),而是分階段進行的。
4Fe3++2H2O4Fe2++4H++O2
光能
葉綠體
(二)光合作用的原理
探究光合作用原理的部分實驗
思考討論
4、1941年,魯賓和卡門用同位素示蹤法,研究了光合作用中氧氣的來源。
CO2
H218O
光照射下的
小球藻懸液
C18O2
H2O
18O2
O2
結(jié)論:光合作用釋放的氧來自水。
(二)光合作用的原理
探究光合作用原理的部分實驗
思考討論
5、1954年,米國阿爾農(nóng)等用離體的葉綠體做實驗:在給葉綠體照光時發(fā)現(xiàn),當向反應(yīng)體系中供給ADP、Pi等物質(zhì)時,體系中就會有ATP出現(xiàn)。1957年,他發(fā)現(xiàn)這一過程總是與水的光解相伴隨。
結(jié)論:在光照時,葉綠體中生成了ATP。
H2OO2+2H++能量
光照
葉綠體
嘗試用示意圖來表示ATP的合成與希爾反應(yīng)的關(guān)系:
ADP+PiATP
(二)光合作用的原理
探究光合作用原理的部分實驗
思考討論
6、1946年開始,米國的卡爾文等用放射性同位素14C標記14CO2,供小球藻進行光合作用,探明了CO2中的C是如何轉(zhuǎn)化為有機物中的碳的。
光合作用過程是否需要光能劃分:光反應(yīng)和暗反應(yīng)(碳反應(yīng))。
(二)光合作用的原理
1、光反應(yīng)階段
光合作用第一階段的化學反應(yīng),必須有光才能進行,這個階段叫作光反應(yīng)階段。
葉綠體中
的色素
光能
H2O
水在光下分解
O2
NADPH
ADP+Pi
酶
ATP
光、色素、酶、水
葉綠體的類囊體薄膜上
水的光解:
2H2O4NADPH+O2
光能
ATP的合成:
ADP+Pi+能量ATP
酶
場所:
條件:
物質(zhì)變化
能量變化
光能ATP中活躍的化學能
1、光反應(yīng)階段
2、暗反應(yīng)階段
光合作用第二階段的化學反應(yīng),有沒有光都能進行,這個階段叫作暗反應(yīng)階段。
CO2
C5
固定
2C3
NADPH
供氫
酶
(CH2O)
淀粉、蔗糖
多種酶
參加催化
還原
酶
ATP
供能
ADP+Pi
CO2的固定:
CO2+C52C3
酶
C3的還原:
葉綠體的基質(zhì)中
ATP
NADPH、
ADP+Pi
2C3CH2O)+H2O+C5
酶
NADPH、ATP、酶、CO2
場所:
條件:
物質(zhì)變化
能量變化
ATP中活躍的化學能
有機物中穩(wěn)定的化學能
2、暗反應(yīng)階段
3、光合作用過程圖解
光反應(yīng)階段
(葉綠體類囊體薄膜)
暗反應(yīng)階段
(葉綠體基質(zhì))
ADP+Pi
NADP+
CO2
2C3
C5
(CH2O)
多種酶
參加催化
固
定
還
原
ATP
NADPH
光能
葉綠體
中的色素
O2
水的光解
H2O
4、光反應(yīng)與暗反應(yīng)的區(qū)別和聯(lián)系
暗反應(yīng)
光反應(yīng)
比較項目
能量變化
聯(lián)系
物質(zhì)變化
條件
場所
類囊體薄膜上
葉綠體的基質(zhì)
需光,色素和酶
不需光,色素;需酶
2H2O─→4H++O2↑
光解
ADP+Pi+能量─→ATP
酶
CO2+C5─→2C3
酶
2C3──→(CH2O)+C5
ATP、[H]酶
穩(wěn)定的化學能
光能活躍的化學能
光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供ATP和NADPH,暗反應(yīng)為光反應(yīng)提供ADP和Pi、NADP+
1、NADPH和ATP的移動途徑是什么?
從類囊體薄膜到葉綠體基質(zhì);
2、NADP+和ADP的移動途徑呢?
從葉綠體基質(zhì)到類囊體薄膜;
3、NADPH的作用?
①.活潑的還原劑;
②.儲存部分能量供暗反應(yīng)階段利用;
思考討論
4、光合作用中元素的轉(zhuǎn)移
①H的轉(zhuǎn)移:
H2O→NADPH→(CH2O)
②C的轉(zhuǎn)移:
CO2→C3→(CH2O)
③O的轉(zhuǎn)移:
CO2→C3→(CH2O)
H2O→O2
思考討論
6CO2+12H2O
光能
葉綠體
C6H12O6+6H2O+6O2
(三)光合作用原理的應(yīng)用
1、光合作用強度:植物在單位時間內(nèi)通過光合作用制造糖類的數(shù)量。
探究光照強弱對光合作用強度的影響
探究實踐
一、實驗原理:
葉片含有空氣,上浮
抽氣
葉片下沉;
O2充滿細胞間隙,葉片上浮。根據(jù)單位時間小圓形葉片浮起的數(shù)量的多少,探究光照強度與光合作用強度的關(guān)系。
光合作用
產(chǎn)生O2
探究光照強弱對光合作用強度的影響
探究實踐
二、方法步驟:
1.打孔:用直徑為0.6cm的打孔器打出圓形小葉片30片
探究光照強弱對光合作用強度的影響
探究實踐
二、方法步驟:
2.將圓形小葉片置于注射器內(nèi),使葉片內(nèi)氣體逸出
探究光照強弱對光合作用強度的影響
探究實踐
二、方法步驟:
3.將處理過圓形小葉片放入清水中,黑暗保存
探究光照強弱對光合作用強度的影響
探究實踐
二、方法步驟:
4.取3只小燒杯,分別倒入富含CO2的清水(1%~2%的NaHCO3溶液)
探究光照強弱對光合作用強度的影響
探究實踐
二、方法步驟:
5.向3只小燒杯中各放入10片圓形小葉片,分別置于強、中、弱光下
項目燒杯小圓形葉片加富含CO2的清水光照強度葉片浮
起數(shù)量
110片20mL強多
210片20mL中中
310片20mL弱少
6.觀察并記錄結(jié)果
探究光照強弱對光合作用強度的影響
探究實踐
二、方法步驟:
三、實驗結(jié)論:在一定范圍內(nèi),隨著光照強度不斷增強,光合作用強度也不斷增強。
第三課時影響光合作用的因素
第4節(jié)光合作用與能量轉(zhuǎn)化
2、影響光合作用的因素
(三)光合作用原理的應(yīng)用
光:光照強度、光質(zhì)、光照時間
CO2的濃度、H2O
礦質(zhì)元素(Mg合成葉綠素)
溫度
外因:
內(nèi)因:
酶的種類、數(shù)量
色素的含量
葉齡不同
(1)光照強度
A點:只進行細胞呼吸,CO2釋放量表明此時的呼吸強度。
B點:光補償點,即光合作用強度=細胞呼吸強度。
C點:光合作用強度最大。C點之前限制光合作用因素是光照強度,
C點之后限制因素是CO2、溫度等
光補償點
光飽和點
AB段:光合呼吸
D
D點:光飽和點,增加光照強度光合作用強度不再增加。
1.間作(幾種作物同時期播種)、
套種(幾種作物不同時期播種)
2.輪作(幾種作物輪換種植)
3.合理密植,增加光合作用面積
4.溫室大棚,使用無色透明玻璃
應(yīng)用:
光補償點
光飽和點
D
(1)光照強度
(2)CO2濃度
C點:CO2補償點(表示光合作用速率等于細胞呼吸速率時的CO2濃度);
D點:CO2飽和點(兩組都表示在一定范圍內(nèi)CO2濃度達到該點后,光合作用強度不再隨CO2濃度增加而增加)。
應(yīng)用:1.多施有機肥或農(nóng)家肥
2.溫室栽培植物時還可使用CO2發(fā)生器等.
3.大田中還要注意通風透氣.
B點:進行光合作用所需CO2的最低濃度
A
B
C
D
0
吸收CO2
釋放CO2
CO2濃度
(3)溫度
最適溫度下植物光合作用最大,植物體內(nèi)的酶最適溫度在40~50℃之間。
溫度過高時植物氣孔關(guān)閉或酶活性降低,光合速率會減弱。
應(yīng)用:1.適時播種
2.溫室中,白天適當提高溫度,
晚上適當降溫
3.植物“午休”現(xiàn)象
CO2
H2O
O2
一天的時間
O
光合作用強度
12
13
11
A
B
C
D
E
910
151617
14
夏季晴天的中午氣溫高,植物為防止蒸騰失水而關(guān)閉氣孔,CO2吸收減少,進而降低光合速率。
“午休”現(xiàn)象:
P106頁
光照強度
N:光合酶及NADP+和ATP的重要組分
P:NADP+和ATP的重要組分
K:促進光合產(chǎn)物向貯藏器官運輸
Mg:葉綠素的重要組分
(4)礦質(zhì)元素
應(yīng)用:合理施肥
(5)水
1.水是光合作用的原料
2.水是體內(nèi)各種化學反應(yīng)的介質(zhì)
3.水直接影響氣孔的開閉,間接影響CO2進入
應(yīng)用:預防干旱合理灌溉
練習.在密閉容器內(nèi),受光照等環(huán)境因素的影響,某植物凈光合速率的變化如圖所示。請回答下列問題(不考慮O2濃度變化對呼吸速率的影響):
(1)t0→t1,密閉容器內(nèi)CO2濃度將________
(2)在t2時,葉肉細胞內(nèi)合成ATP的場所有__________________。
(3)t3→t4,凈光合速率下降的主要環(huán)境因素是________。
(4)在t4后的短時間內(nèi),葉綠體中ATP含量將________
(5)t5→t6,限制光合作用的主要環(huán)境因素是________。
增加
細胞質(zhì)基質(zhì).線粒體.葉綠體
CO2濃度
減少
溫度
1.光合作用速率:一定時間內(nèi)、單位面積CO2等原料的消耗量或O2、(CH2O)等產(chǎn)物生成量來表示。
植物在進行光合作用的同時,還進行呼吸作用。實際測量到的光合作用指標是凈光合作用速率,稱為表觀光合速率。
單位時間、單位面積積累的有機物的量。
單位時間、單位面積釋放的O2的量。
單位時間、單位面積吸收的CO2的量。
(四)光合作用速率的測定
2.測定方法:
①先將植物置于黑暗中,測量呼吸速率。
②在有光條件下,測定表觀光合速率。
③計算:實際(真正)光合速率=表觀光合速率+呼吸速率。
(四)光合作用速率的測定
光照強度012345
O2釋放
例如:根據(jù)O2的變化量測定光合速率
O2
釋放
量
0
O2
吸
收
量
光照強度
光補償點
光飽和點
·
·
·
A
B
C
呼吸速率
凈光合速率
總光合速率
(五)化能合成作用
1、異養(yǎng)生物:只能利用環(huán)境中現(xiàn)成的有機物來維持自身的生命活動。例如人、動物、真菌及大多數(shù)的細菌。
2、自養(yǎng)生物:以無機物轉(zhuǎn)變成為自身的組成物質(zhì)。
光能自養(yǎng)生物:以光為能源,以CO2和H2O(無機物)為原料合成糖類(有機物),糖類中儲存著由光能轉(zhuǎn)換來的能量。例如:綠色植物。
化能自養(yǎng)生物:利用環(huán)境中某些無機物氧化時釋放的能量將CO2和H2O(無機物)合成糖類(有機物)。例如:硝化細菌。
硝化細菌能夠利用體外環(huán)境中的NH3氧化時所釋放的能量來制造有機物。
2NH3+3O22HNO2+2H2O+能量
硝化細菌
2HNO2+O22HNO3+能量
硝化細菌
6CO2+12H2OC6H12O6+6O2+6H2O
能量
酶
新陳代謝
同化作用
異化作用
需氧型
厭氧型
紅螺菌的同化作用屬于兼性營養(yǎng)型
酵母菌的異化作用屬于兼性厭氧型
自養(yǎng)型
異養(yǎng)型
光能自養(yǎng)型
化能自養(yǎng)型
歸納總結(jié)
1.在適宜反應(yīng)條件下,用白光照射離體的新鮮葉綠體一段時間后,突然改用光照強度與白光相同的紅光或綠光照射。下列是光源與瞬間發(fā)生變化的物質(zhì),組合正確的是()
A.紅光,ATP下降
B.紅光,未被還原的C3上升
C.綠光,NADPH下降
D.綠光,C
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