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� � � � � � � � � �� ��� �������� � ����� ���� � �� �� � ��������� �������� � ������� Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à ARTMED® EDITORA S.A. Av. Jerônimo de Ornelas, 670 - Santana 90040-340 Porto Alegre RS Fone (51) 3027-7000 Fax (51) 3027-7070 É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web e outros), sem permissão expressa da Editora. SÃO PAULO Av. Embaixador Macedo Soares, 10.735 - Pavilhão 5 - Cond. Espace Center Vila Anastácio 05095-035 São Paulo SP Fone (11) 3665-1100 Fax (11) 3667-1333 SAC 0800 703-3444 IMPRESSO NO BRASIL PRINTED IN BRAZIL Obra originalmente publicada sob o título Biology, 8th Edition ISBN 9780805368444 Authorized translation from the English language edition, entitled BIOLOGY, 8th Edition, by NEIL A. CAMPBELL and JANE B. REECE, published by Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings, Copyright © 2008. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. Portuguese language edition published by Artmed Editora, Copyright © 2010. Tradução autorizada a partir do original em língua inglesa da obra intitulada BIOLOGY, 8ª EDIÇÃO, de autoria de NEIL A. CAMPBELL e JANE B. REECE, publicado por Pearson Education, Inc., sob o selo de Benjamin Cummings, Copyright © 2008. Todos os direitos reservados. Este livro não poderá ser reproduzido nem em parte nem na íntegra, nem ter partes ou sua íntegra armazenada em quaisquer meios, seja mecânico ou eletrônico, inclusive fotocópia, sem permissão da Pearson Education, Inc. A edição em língua portuguesa desta obra é publicada por Artmed Editora, Copyright © 2010. Capa: Mário Röhnelt Preparação de originais: Henrique de Oliveira Guerra Leitura final: Magda Regina Chaves Editora Sênior – Biociências: Letícia Bispo de Lima Editora Júnior – Biociências: Carla Casaril Paludo Editoração eletrônica: Techbooks Catalogação na publicação: Renata de Souza Borges CRB-10/1922 C187b Campbell, Neil. Biologia [recurso eletrônico] / Neil Campbell, Jane Reece; tradução Daniel Lorenzini ... [et al.]. – 8. ed. – Dados eletrônicos. – Porto Alegre : Artmed, 2010. Editado também como livro impresso em 2010. ISBN 978-85-363-2351-0 1. Biologia. I. Reece, Jane. II. Título. CDU 573 1224 Campbell & Cols. Organismos em níveis tróficos acima dos produtores primá- rios são heterótrofos, que dependem direta ou indiretamente dos produtos biossintéticos dos produtores primários. Herbívoros, que comem plantas e outros produtores primários, são os con- sumidores primários. Carnívoros que comem herbívoros são consumidores secundários e carnívoros que comem outros car- nívoros são consumidores terciários. Outro grupo importante de heterótrofos consiste nos detri- tívoros. Detritívoros ou decompositores são consumidores que obtêm sua energia a partir de detritos, materiais orgânicos não vivos, como restos de organismos mortos, fezes, folhas caídas e madeira. Diversos decompositores são por sua vez comidos por consumidores secundários ou terciários. Dois grupos importan- tes de decompositores são procariotos e fungos (Figura 55.3). Esses organismos secretam enzimas que digerem a matéria orgâ- nica; então absorvem os produtos degradados, ligando os consu- midores e os produtores primários em um ecossistema. Em uma floresta, por exemplo, pássaros comem minhocas que se alimen- taram de folhas caídas e procariotos e fungos associados. Mais importante do que essa canalização de recursos dos produtores até os consumidores é o papel que os decompositores têm na reciclagem de elementos químicos de volta aos produtores primários. Decompositores convertem matéria orgânica a partir de todos os níveis tróficos até compostos inorgânicos utilizáveis pelos produtores primários, completando o círculo de reciclagem química de um ecossistema. Produtores podem então reciclar esses elementos em compostos orgânicos. Se a decomposição cessasse, toda a vida na Terra morreria à medida que os dejetos fossem se acumulando e o estoque de ingredientes químicos para a síntese de nova matéria orgânica fosse se exaurindo. A Figura 55.4 resume as relações tróficas em um ecossistema. R E V I S à O D O C O N C E I T O 1. Por que a transferência de energia em um ecossistema é apresentada como fluxo de energia e não como ciclo de energia? 2. Como a segunda lei da termodinâmica explica que a energia de um ecossistema deve ser continuamente reabastecida? 3. E SE...? Você está estudando o ciclo do nitrogênio na planície do Serengeti na África. Durante seu experimento, uma manada de gnus imigrantes passa pela área de estu- do. O que você necessitaria saber para medir o efeito disso no equilíbrio do nitrogênio no terreno? Ver as respostas sugeridas no Apêndice A. 55.2 Energia e outros fatores limitantes controlam a produção primária nos ecossistemas A quantidade de energia luminosa convertida em energia quími- ca (compostos orgânicos) por autótrofos durante um determina- do período de tempo é a produção primária de um ecossistema. Esse produto fotossintético é o ponto de partida para os estudos do metabolismo do ecossistema e fluxo de energia. Figura 55.3 � Fungos decompondo uma árvore morta. Consumidores primários Produtores primários Consumidores secundários Microrganismos e outros decompositores Dejetos Calor Consumidores terciários Sol CHAVE Reciclagem química Circulação de energia Figura 55.4 � Visão geral da dinâmica de nutrientes e energia em um ecossiste- ma. Energia entra, flui e sai do ecossistema, ao passo que nutrientes químicos são reciclados dentro do ecossistema. Neste esquema generalizado, a energia (setas alaranjadas) entra como radiação solar, move-se com a transferência de energia química pela rede alimentar e sai como calor irradiado no espaço. A maioria das transferências de nutrientes (setas azuis) ao longo dos níveis tróficos produz detritos; os nutrientes então voltam aos produtores primários. Biologia 1225 Orçamento energético do ecossistema A maioria dos produtores primários utiliza energia luminosa para sintetizar moléculas orgânicas ricas em energia, posterior- mente degradadas para gerar ATP (ver Capítulo 10). Os consumi- dores adquirem seus combustíveis orgânicos de segunda mão (ou mesmo de terceira e quarta mão) por meio das redes alimentares como as das Figuras 54.12 e 54.13. Portanto, a quantidade total de produção fotossintética define o limite de gastos para o orçamen- to energético de todo o ecossistema. Orçamento energético global Todos os dias, a atmosfera terrestre é bombardeada por cerca de 1022 joules de radiação solar (1 J � 0,239 cal). Isso é energia sufi- ciente para suprir as demandas de toda a população humana por aproximadamente 25 anos nos níveis de consumo de 2006. Con- forme descrito no Capítulo 52, a intensidade da energia solar que atinge a Terra varia de acordo com a latitude, sendo que os trópi- cos recebem a maior parte. A maioria da radiação solar que chega é absorvida, dispersada ou refletida pelas nuvens e partículas de poeira na atmosfera. A quantidade de radiação solar que alcança a superf ície da Terra limita a produção fotossintética possível dos ecossistemas. Além disso, apenas uma pequena fração da radiação solar que chega à superf ície da Terra é utilizada na fotossíntese. A maior parte da radiação atinge materiais que não fazem fotossíntese, como gelo e solo. Da radiação que atinge organismos fotossintéti- cos, somente certos comprimentos de onda são absorvidos pelos pigmentos fotossintéticos; o restante é transmitido, refletido ou desperdiçado na forma de calor. Como resultado, praticamente apenas 1% da luz visível queatinge organismos fotossintéticos é convertida em energia química pela fotossíntese. Apesar disso, os produtores primários da Terra criam coletivamente cerca de 150 bilhões de toneladas (150 x 1012 kg) de matéria orgânica a cada ano. Produção primária bruta e líquida A produção primária total em um ecossistema é conhecida como a produção primária bruta (PPB) do ecossistema – a quanti- dade de energia luminosa convertida em energia química pela fotossíntese por unidade de tempo. Nem toda produção é arma- zenada como matéria orgânica nos produtores primários, por- que eles utilizam parte das moléculas como combustível para sua própria respiração celular. A produção primária líquida (PPL) é igual à produção primária bruta menos a energia utilizada pelos produtores primários para respiração (R): PPL � PPB – R Em diversos ecossistemas, PPL é cerca de metade da PPB. Para os ecologistas, a produção primária líquida é a medida essencial, porque representa o estoque de energia química disponível para os consumidores no ecossistema. A produção primária líquida pode ser expressa em energia por unidade de área por unidade de tempo (J/m2.ano) ou em bio- massa (massa da vegetação) adicionada ao ecossistema por uni- dade de área por unidade de tempo (g/m2.ano). (Perceba que a biomassa geralmente é expressa em massa seca de matéria orgâ- nica.) A produção primária líquida de um ecossistema não deve ser confundida com a biomassa total de autótrofos fotossinteti- zantes presentes, medida chamada de colheita em pé (standing crop). A produção primária líquida é a quantidade de biomassa nova adicionada em um período de tempo determinado. Embora uma floresta tenha uma colheita em pé muito grande, sua produ- ção primária líquida pode na verdade ser menor do que algumas savanas, que não acumulam muita vegetação, pois os animais consomem rapidamente as plantas, e as gramas e ervas se de- compõem mais rapidamente do que as árvores. Os satélites fornecem uma ferramenta importante para o es- tudo de padrões globais de produção primária (Figura 55.5). As imagens produzidas a partir de dados dos satélites mostram que ecossistemas diferentes variam consideravelmente nas suas pro- duções primárias (Figura 55.6). As florestas tropicais estão en- Figura 55.5 � Método de pesquisa Determinando a produção primária por meio de satélites APLICAÇÃO A clorofila captura luz visível (ver Figura 10.9); por isso, organismos fotossintéticos absorvem mais comprimentos de onda visível (cerca de 380-750 nm) do que comprimentos de onda perto do in- fravermelho (750-1.100 nm). Cientistas utilizam essa diferença de absor- ção para estimar a taxa de fotossíntese em diferentes regiões do globo utilizando satélites. APLICAÇÃO A maioria dos satélites determina o que eles “veem” comparando as taxas de comprimentos de onda refletidos até eles. A ve- getação reflete muito mais radiação próxima à infravermelha do que ra- diação visível, produzindo um padrão de refletância bem diferente da neve, nuvens, solo ou água. Visível Infravermelho próximo Vegetação Nuvens Neve Solo Água 80 60 40 20 0 400 600 800 1.000 1.200 Comprimento de onda (nm) Po rc en ta ge m d e re fle tâ nc ia RESULTADOS Cientistas utilizam os dados dos satélites para ajudar a produzir mapas da produção primária como aquele na Figura 55.6. 1226 Campbell & Cols. em águas “límpidas”, somente 5-10% da radia- ção alcança 75 m de profundidade. Se a luz fosse a principal variável limitando a produção primária no oceano, esperaríamos que a produção aumentasse ao longo de um gradiente dos pólos até o equador, que recebe a maior intensidade de luz. Entretanto, podere- mos ver na Figura 55.6 que esse gradiente não existe. Algum outro fator deve influenciar a produção primária no oceano. Limitação de nutrientes Mais do que a luz, os nutrientes limitam a pro- dução primária em diferentes regiões geográfi- cas de oceanos e lagos. Um nutriente limitan- te é o elemento que deve ser adicionado para aumentar a produção. Os nutrientes que geral- mente limitam a produção marinha são o ni- trogênio ou o fósforo. Concentrações desse nu- trientes são baixas em zonas fóticas pelo fato de serem rapidamente absorvidos por fitoplâncton e seus dejetos tendem a afundar. Como detalhado na Figura 55.7, experimentos com nutrien- tes enriquecidos confirmaram que o nitrogênio limitava o cresci- mento de fitoplâncton ao sul da costa de Long Island, Nova York. Aplicações práticas desse estudo incluem prevenção da “explosão” de algas causada por poluição com nitrogênio que fertiliza o fito- plâncton. Eliminar os fosfatos do esgoto, que uma vez se acreditava ser a causa do problema, não ajudará a prevenir explosão de algas a menos que a poluição com nitrogênio também seja controlada. Diversas áreas dos oceanos, entretanto, possuem baixa densi- dade de fitoplânctons apesar da concentração relativamente alta de nitrogênio. Por exemplo, o Mar Sargasso, região subtropical do Oceano Atlântico, possui algumas das águas mais claras do mun- do por causa da baixa densidade de fitoplânctons. Uma série de experimentos com nutrientes enriquecidos revelou que a disponi- bilidade do micronutriente ferro pode limitar a produção primária nesse ambiente (Tabela 55.1). A poeira trazida pelo vento da terra é a principal fonte de ferro no oceano, porém uma quantidade re- lativamente pequena de poeira alcança o centro dos oceanos. A descoberta de que o ferro limita a produção em alguns ecossistemas oceânicos encorajou os ecologistas marinhos a con- duzir recentemente experimentos em larga escala no Oceano Pacífico. Em um estudo, pesquisadores espalharam baixas con- centrações de ferro dissolvido ao longo de 72 km2 do oceano e então mediram a mudança na densidade de fitoplânctons em um período de sete dias. Uma explosão maciça de fitoplânctons ocor- reu, como indicado pelo aumento na concentração de clorofila na água. Adicionar ferro estimula o crescimento de cianobactérias que fixam nitrogênio atmosférico (ver Capítulo 27), e o nitrogê- nio extra estimula a proliferação de fitoplânctons. Áreas de ressurgência, onde águas profundas ricas em nu- trientes circulam até a superf ície do oceano, possuem produção tre os ecossistemas terrestres mais produtivos e contribuem com grande parte da produção primária líquida do planeta. Estuários e recifes de corais também têm alta produção primária líquida; entretanto, sua contribuição ao total global é relativamente pe- quena, porque esses ecossistemas cobrem somente de um décimo da área coberta pelas florestas tropicais. Um aspecto marcante da Figura 55.6 é quão improdutivas são as áreas dos oceanos por unidade de área quando comparadas com florestas tropicais e ou- tros ecossistemas. Por causa de sua vasta área, entretanto, todos os oceanos juntos contribuem tanto quanto os sistemas terrestres para a produção primária líquida global. O que limita a produção primária nos ecossistemas? Outra maneira de se perguntar é: que fatores poderíamos mudar para aumentar ou diminuir a produção primária de determinado ecos- sistema? Responderemos a essa questão primeiro para os ecossis- temas aquáticos. Esse mapa global representa com precisão a importância de alguns hábitats altamente produtivos, como áreas alagadas, reci- fes de corais e zonas costeiras? Explique. Produção primária em ecossistemas áquaticos Em ecossistemas áquaticos (água doce ou salgada), tanto luz quan- to nutrientes são importantes no controle da produção primária. Limitação da luz Pelo fato da radiação solar impulsionar a fotossíntese, seria de se esperar que a luz fosse a variável fundamental no controle da produção primária dos oceanos. De fato, a profundidade da pe- netração da luz afeta a produção primária por meio da zona fóti- ca de um oceano ou lago (ver Figura 52.16). Cerca de metade da radiação solar é absorvida nos primeiros 15 m de água. Mesmo Produção primária líquida (kg carbono/m2.ano) 0 1 2 3 Figura 55.6 � Produçãoprimária líquida global em 2002. O mapa baseia-se em dados (como atividade da clorofila) coletados por satélites. Perceba que as áreas tropicais na terra pos- suem as maiores taxas de produção (amarelo e vermelho no mapa). Biologia 1227 primária excepcionalmente alta, o que sustenta a hipótese de que a disponibilidade de nutrientes determina a produção primária ma- rinha. Pelo fato do estoque estável de nutrientes estimular o cres- cimento das populações de fitoplânctons que formam a base das cadeias alimentares dos mares, áreas de ressurgência são os prin- cipais locais de pesca. As maiores áreas de ressurgência ocorrem no Oceano Austral (também chamado de Oceano Antártico) e nas águas das costas do Peru, Califórnia e partes da África Ocidental. A limitação de nutrientes também é comum em lagos de água doce. Durante os anos 1970, cientistas demonstraram que o esgo- to e os fertilizantes que saíam de fazendas e terrenos adicionava grande quantidade de nutrientes aos lagos. Cianobactérias e algas cresciam rapidamente em resposta a esses nutrientes adicionados, por fim reduzindo a concentração de oxigênio e a transparência da água. Esse processo, conhecido como eutrofização (do grego eutrophos, bem nutrido), possui diversos impactos ecológicos, in- cluindo eventual perda de quase todas as espécies de peixes dos lagos, com exceção das espécies mais tolerantes (ver Figura 52.18). Controlar a eutrofização requer conhecimento do nutriente po- luidor responsável; o nitrogênio raramente é o fator limitante para produção primária em lagos. Uma série de experimentos em lagos conduzidos por ecologistas mostraram que a disponibilidade de fósforo limita o crescimento de cianobactérias. Essa e outras pes- quisas levaram ao uso de detergentes livres de fosfato e a outras mudanças importantes para a melhoria da qualidade da água. Produção primária em ecossistemas terrestres Em uma ampla escala geográfica, temperatura e umidade são os principais fatores que controlam a produção primária em ecos- sistemas terrestres. Perceba novamente na Figura 55.6 que as florestas tropicais, com suas condições quentes e úmidas que promovem crescimento de plantas, são os mais produtivos dos ecossistemas terrestres. Por outro lado, ecossistemas terrestres com baixa produtividade geralmente são secos – por exemplo, desertos – ou frios e secos – por exemplo, a tundra ártica. Entre esses dois extremos, estão a floresta temperada e as savanas, que possuem climas moderados e produtividade intermediária. Esses contrastes no clima podem ser representados por uma medida chamada de evapotranspiração real, a quantidade anual de água transpirada pelas plantas e evaporada de uma paisagem, geral- mente medida em mililitros. A evapotranspiração real aumenta com a quantidade de precipitação em uma região e com a quan- tidade de energia solar disponível para realizar a evaporação e a transpiração. A Figura 55.8 mostra a relação positiva entre a Tabela 55.1 Experimentos com enriquecimento de nutrientes para amostras do Mar de Sargasso Nutrientes adicionados à cultura experimental Retirada (extração) relativa de 14C pelas culturas* Nenhum (controle) 1,00 Somente Nitrogênio (N) � fósforo (P) 1,10 N �P � metais (exceto o ferro) 1,08 N �P � metais (incluindo o ferro) 12,90 N �P � ferro 12,00 *Retirada de 14C pelas culturas mede a produção primária. Fonte: D. W. Menzel e J.H. Ryther, Nutrients limiting the production of phytoplankton in the Sargasso Sea, with special reference to iron, Deep Sea Research 7:276-281 (1961). Figura 55.7 � Pesquisa Qual nutriente limita a produção de fitoplâncton ao longo da costa de Long Island? EXPERIMENTO A poluição que vem das fazendas de criação de patos perto da Baía de Moriches adiciona tanto nitrogênio quanto fósforo ao li- toral de Long Island, no estado de Nova York. Para determinar qual nu- triente limita o crescimento de fitoplâncton nessa área, John Ryther e William Dunstan, do Instituto Oceanográfico Woods Hole, cultivaram o fitoplâncton Nannochloris atomus com água coletada de diversos locais (marcados de A a G no mapa abaixo). Eles adicionaram amônia (NH4 �) ou fosfato (PO4 3�) a algumas das culturas. Long Island A B C D E GF Oceano Atlântico Baía Shinnecock Baía Moriches Baía Gre at S out h RESULTADOS A adição de amônia causou grande crescimento de fitoplâncton nas culturas, porém a adição de fosfato não teve esse efeito. D en si da de d o fit op lâ nc to n (m ilh õe s de c él ul as p or m L) Enriquecido com amônia A B C D FE G Local de amostra 0 30 18 12 6 24 Enriquecido com fosfato Controle não enriquecido CONCLUSÃO Já que adicionar fósforo, nutriente já presente em abundância, não teve nenhum efeito no crescimento de Nannochloris, ao passo que a adição de nitrogênio aumentou drasticamente a densidade de fitoplâncton, os pesquisadores concluíram que o nitrogênio é o nutriente que limita o crescimento de fitoplâncton nesse ecossistema. FONTE J.H. Ryther e W.M. Dunstan. Nitrogen, phosphorus, and eu- trophication in the coastal marine environment, Science 171:1008-1013 (1971) E SE...? Quais resultados você esperaria desse experimento se novas fazendas de criação de patos aumentassem substancialmente a quantida- de de poluição na água? Explique seu raciocínio. 1228 Campbell & Cols. produção primária líquida e a evapotranspiração real em ecossis- temas selecionados. Em uma escala mais local, nutrientes minerais no solo po- dem limitar a produção primária em ecossistemas terrestres. Assim como em ecossistemas aquáticos, o nitrogênio e o fósforo são os nutrientes que mais limitam a produção terrestre. Adicio- nar um nutriente não limitante, mesmo escasso, não estimulará a produção. De modo oposto, adições crescentes de um nutrien- te limitante aumentará a produção até outro nutriente se tornar limitante. Estudos relacionando nutrientes à produção primária terres- tre possuem aplicações práticas na agricultura. Agricultores ma- ximizam a produtividade de suas lavouras utilizando fertilizantes com o equilíbrio correto de nutrientes de acordo com o solo e o tipo de plantação. R E V I S à O D O C O N C E I T O 1. Por que apenas uma pequena parte da energia solar que atinge a atmosfera da Terra é armazenada pelos produto- res primários? 2. Como os ecologistas conseguem determinar experimen- talmente o fator que limita a produção primária em um ecossistema? 3. E SE...? Como parte de um projeto científico, um es- tudante está tentando estimar a produção primária total de plantas de uma pradaria em um ano. Uma vez a cada trimestre, o estudante corta parte da grama com um cor- tador de grama, então coleta e pesa a matéria cortada, a fim de estimar a produção vegetal. Quais componentes da produção primária das plantas o estudante está deixando passar com essa abordagem? Ver as respostas sugeridas no Apêndice A. 55.3 A transferência de energia entre níveis tróficos normalmente apresenta apenas 10% de eficiência A quantidade de energia química nos alimentos dos consumido- res convertida em biomassa durante um determinado período de tempo é chamada de produção secundária do ecossistema. Considere a transferência de matéria orgânica dos produtores primários para os herbívoros, os consumidores primários. Na maioria dos ecossistemas, herbívoros comem somente uma fra- ção pequena do material vegetal produzido. Além disso, eles não conseguem digerir todo o material vegetal que consomem, assim como qualquer um que caminhou nas pastagens de uma fazenda leiteira pode confirmar. Desse modo, grande parte da produção primária não é utilizada pelos consumidores. Vamos analisar esse processo de transferência de energia de mais perto. Eficiência de produção Primeiro vamos examinar a produção secundária em um organis- mo individual – uma lagarta. Quando uma lagarta se alimenta de uma folha, somente cerca de 33 J de 200 J (48 cal), ou um sexto da energia na folha, é utilizado paraprodução secundária, ou cres- cimento (Figura 55.9). A lagarta utiliza parte da energia restante para respiração celular e transfere o restante nas fezes. A energia contida nas fezes permanece no ecossistema temporariamente, porém a maior parte é perdida como calor após as fezes serem consumidas pelos decompositores. A energia utilizada para a res- piração da lagarta também é perdida do ecossistema como calor. Esse é o motivo da afirmação de que a energia flui através, e não Floresta tropical Floresta temperada Savana temperada Tundra ártica Deserto de arbustos 3.000 2.000 1.000 0 0 500 Pr od uç ão p rim ár ia lí qu id a (g /m 2 . an o) 1.000 Evapotranspiração real (mm H2O/ano) 1.500 Floresta montanhosa de coníferas Figura 55.8 � Relação entre produção primária líquida e evapo- transpiração real em seis ecossistemas terrestres. Crescimento (biomassa) Respiração celular Fezes 100 J 67 J 200 J 33 J Material vegetal consumido pela lagarta Figura 55.9 � Divisão da energia dentro de um elo da cadeia ali- mentar. Menos de 17% do alimento da lagarta são utilizados de fato para produção secundária (crescimento). Energia e outros fatores limitantes controlam a produção primária nos ecossistemas Orçamento energético do ecossistema Produção primária em ecossistemas aquáticos Produção primária em ecossistemas terrestres A transferência de energia entre níveis tróficos normalmente apresenta apenas 10% de eficiência Eficiência de produção
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