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第三节　细胞呼吸——能量的转化和利用
[学习目标]　1.概述有氧呼吸的三个阶段。2.阐明无氧呼吸的过程和类型。3.探究酵母菌的呼吸方式。4.说出细胞呼吸产生能量的利用实例。
一、细胞有氧呼吸是大多数生物获取能量的主要途径
1．细胞呼吸
(1)概念：糖类、脂质和蛋白质等有机物在活细胞内氧化分解为CO2或其他物质，同时释放出能量并生成ATP的过程。
(2)本质：将储存在有机物中的能量转化为生命活动能直接利用的能量。
(3)类型：有氧呼吸和无氧呼吸。
2．有氧呼吸
(1)概念：在氧的参与下，细胞内的有机物彻底氧化分解产生二氧化碳和水，同时释放能量，生成大量ATP的过程。
(2)过程
(3)总反应式：C6H12O6＋6O2＋6H2O6CO2＋12H2O＋能量。
判断正误
(1)细胞呼吸时只能消耗糖类(　　)
(2)有氧呼吸全部在线粒体中进行(　　)
(3)氧气作为反应物参与有氧呼吸的第二、三阶段(　　)
(4)有氧呼吸第三阶段既消耗水又产生水(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×
一、有氧呼吸的第一阶段
分析实验一的过程及其结果，回答相关问题：
实验一　将酵母菌细胞破碎后进行离心处理，获得上清液和沉淀物两部分，与未离心、处理过的酵母菌培养液分别加入等量的氧气、葡萄糖、荧光素和荧光素酶，一段时间后，检测各试管的变化情况。
1号试管：只含线粒体。
2号试管：只含细胞质基质。
3号试管：有线粒体和细胞质基质。
一段时间后，各试管的变化情况如下。
1号试管：葡萄糖的量不变，没有荧光出现。
2号试管：葡萄糖的量减少，有丙酮酸(C3H4O3)生成，微弱荧光出现。
3号试管：葡萄糖的量减少，有CO2生成以及较强荧光出现。
(1)分析1、3号试管的结果，你能得出什么结论？
提示　葡萄糖不能被线粒体直接分解。
(2)分析2、3号试管的结果，你能得出什么结论？
提示　葡萄糖在细胞质基质中分解，生成丙酮酸，释放少量能量。
(3)写出有氧呼吸第一阶段的反应过程。
提示　C6H12O62丙酮酸＋4[H]＋少量能量
二、有氧呼吸的第二阶段
分析实验二的过程及其结果，回答相关问题：
实验二　使用超声波将线粒体破碎，分离线粒体膜状结构和线粒体基质，加入等量的氧气、丙酮酸、荧光素和荧光素酶，一段时间后，检测各试管变化情况。
4号试管：只含线粒体膜状结构。
5号试管：只含线粒体基质。
6号试管：有线粒体膜状结构和基质。
一段时间后，各试管的变化情况如下。
4号试管：丙酮酸的量不变，没有荧光出现。
5号试管：丙酮酸减少，产生CO2，微弱荧光出现。
6号试管：丙酮酸减少，产生CO2，较强荧光出现。
(1)分析4、5、6试管的结果，你能得出哪些结论？
提示　①丙酮酸分解发生在线粒体基质中，并产生[H]，释放少量能量；②线粒体分解丙酮酸后，在线粒体膜状结构继续发生反应并释放更多的能量。
(2)写出有氧呼吸第二阶段的反应过程。
提示　2丙酮酸＋6H2O20[H]＋6CO2＋少量能量
三、有氧呼吸的第三阶段
1．分析实验三，回答相关问题：
实验三　关于[H]的研究有一个非常有趣的实验。
超声波震碎了线粒体之后，内膜自然卷成了颗粒朝外的小囊泡。这些小囊泡具有氧化[H]的功能。当用胰蛋白酶处理后，这些小囊泡不再具有氧化[H]的功能。当把这些小颗粒装上去之后，小囊泡重新具有了氧化[H]的功能。这些小颗粒后被证实是一系列线粒体内膜上的酶。
以上事实说明在线粒体内膜上发生了什么样的反应？
提示　24[H]＋6O212H2O＋大量能量
2．结合上述实验结论，写出有氧呼吸的总反应式，并标注氧元素的去向。
提示　
3．有氧呼吸过程中能量的去向。
提示　一部分以热的形式散失，一部分储存在ATP中。
1．科研人员利用18O标记的葡萄糖，研究细胞有氧呼吸中葡萄糖中O原子的转移路径。下列关于18O的转移途径分析正确的是(　　)
A．葡萄糖→氧→水
B．葡萄糖→丙酮酸→水
C．葡萄糖→丙酮酸→氧
D．葡萄糖→丙酮酸→二氧化碳
答案　D
解析　根据有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和[H]，含18O 的葡萄糖中的18O 到了丙酮酸中；再根据第二阶段是丙酮酸和水反应生成二氧化碳和[H]，含18O 的丙酮酸中的18O 到了二氧化碳中，即18O 转移的途径是：葡萄糖→丙酮酸→二氧化碳，D正确。
2．(2022·江苏天一中学高一期末)下图表示绿色植物细胞内部分物质的转化过程，以下有关叙述中，正确的是(　　)
A．①②分别表示H2O、O2
B．图中产生[H]的场所都是线粒体
C．图示过程不会释放热能
D．图示过程只能在有光的条件下进行
答案　A
解析　有氧呼吸第二阶段丙酮酸和水反应生成二氧化碳和[H]，故物质①是H2O，有氧呼吸第三阶段氧气和[H]反应生成水，故物质②是O2，A正确；产生[H]的场所是细胞质基质和线粒体，B错误；图示过程会释放热量，C错误；植物细胞的有氧呼吸不需要光照，有光、无光均可进行，D错误。
二、无氧呼吸与细胞呼吸产生能量的利用
1．无氧呼吸
(1)概念：在无氧或缺氧的条件下，细胞通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物分解为乙醇(C2H5OH)和CO2，或分解为乳酸(C3H6O3)等物质，同时释放较少能量的过程。
(2)场所：细胞质基质。
(3)类型
①产生乙醇
②产生乳酸
2．探究酵母菌的呼吸方式
(1)实验原理
①酵母菌是一种单细胞真菌，在有氧和无氧的条件下都能生存，属于兼性厌氧生物。
②CO2和酒精的检测
检测产物 所用试剂 现象
CO2 澄清的石灰水 变浑浊
溴麝香草酚蓝溶液 由蓝色变为黄绿色
酒精 酸性重铬酸钾溶液 变成绿色
(2)实验步骤
(3)实验装置示意图
检测CO2的产生，装置如图所示。
3．细胞呼吸产生能量的利用
(1)细胞呼吸释放能量的去向
一部分以热的形式散失，一部分主要储存在ATP中，供给生物体的各种生命活动。
(2)ATP的利用
①ATP为细胞的生命活动提供了动力。
②利用ATP的实例
判断正误
(1)不同生物无氧呼吸的产物不一定相同(　　)
(2)探究酵母菌的无氧呼吸时，装有酵母菌的试管需静置一段时间，目的是消耗瓶中氧气(　　)
(3)无氧呼吸所需酶的种类与有氧呼吸相同(　　)
(4)有CO2产生的呼吸一定不是无氧呼吸(　　)
(5)无氧呼吸释放的能量转化为热能和ATP(　　)
(6)人在安静状态下不消耗ATP(　　)
答案　(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)×
一、无氧呼吸的过程
1．细胞无氧呼吸的产物有乳酸和乙醇两种类型。有人将这两类无氧呼吸的过程总结为下图。尝试分析：在细胞无氧呼吸过程中，物质和能量发生了什么样的变化？
提示　无氧呼吸可以分为两个阶段，都在细胞质基质进行。第一个阶段就是糖酵解过程，葡萄糖分解成丙酮酸并释放少量能量；第二个阶段，丙酮酸在酶的催化下转化为乳酸或者分解成乙醇和二氧化碳，没有能量释放。
2．无氧呼吸有无[H]的积累？无氧呼吸第一阶段产生的[H]的作用是什么？
提示　没有。参与了第二阶段乳酸或者乙醇的生成。
3．和有氧呼吸相比，为什么无氧呼吸释放的能量较少？
提示　无氧呼吸只在糖酵解过程中释放少量的能量，丙酮酸转化为乳酸或者分解成乙醇和二氧化碳的过程没有能量的释放，大部分能量存储在乳酸或者乙醇中没有完全释放。
二、比较有氧呼吸与无氧呼吸
将下表补充完整：
项目 有氧呼吸 无氧呼吸
不同点 条件 有氧 无氧或缺氧
场所 细胞质基质、线粒体 细胞质基质
分解程度 葡萄糖被彻底分解 葡萄糖分解不彻底
产物 CO2、H2O 乳酸或乙醇和CO2
能量释放 大量能量 少量能量
相同点 本质都是氧化分解有机物，释放能量，生成ATP供生命活动所需；第一阶段(糖酵解)从葡萄糖到丙酮酸完全相同
1．细胞呼吸中[H](NADH)和ATP的来源和去路
物质 来源 去路
[H] (NADH) 有氧呼吸：C6H12O6和H2O； 无氧呼吸：C6H12O6 有氧呼吸：与O2结合生成水； 无氧呼吸：还原丙酮酸
ATP 有氧呼吸：三个阶段都产生； 无氧呼吸：只在第一阶段产生 用于各项生命活动
2.细胞呼吸中能量的释放与去向
3．(2022·江苏淮安高一期末)如图为生物体内葡萄糖分解代谢过程的图解。下列有关说法正确的是(　　)
A．葡萄糖在线粒体中经过程①②彻底氧化分解
B．在②反应过程中，水和[H]既是产物又是反应物
C．无氧条件下，发生在酵母菌细胞中的是过程③
D．无氧呼吸产生ATP较少，原因是大部分能量以热能形式散失
答案　B
解析　葡萄糖的彻底氧化分解依次发生在细胞质基质和线粒体中，A错误；②反应包括了有氧呼吸的第二阶段和第三阶段，在第二阶段中消耗水，同时产生[H]，而在第三阶段中消耗[H]，产生水，因此在②反应过程中，水和[H]既是产物又是反应物，B正确；酵母菌在无氧条件下将葡萄糖分解成乙醇和二氧化碳，即无氧条件下发生在酵母菌细胞中的是过程①③，C错误；无氧呼吸产生ATP的量远远小于有氧呼吸，更多的能量储存在有机物如乙醇、乳酸中，D错误。
4．如图甲为不完整的细胞呼吸示意图，图乙为线粒体结构模式图。请据图回答下列问题：
(1)图甲中X代表的物质是________，E代表的物质可能是________________。
(2)图甲中有氧呼吸的途径是________，其中产生能量最多的是阶段________(填字母)。
(3)图甲中C、D阶段发生的场所依次对应于图乙中的________(填序号)。
(4)A阶段与E物质产生阶段的反应属于______________，写出有关的反应式：_______。
答案　(1)丙酮酸　乙醇和二氧化碳　(2)A、C、D　D　(3)②①　(4)无氧呼吸　C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋能量
解析　分析题图可知，图乙中的①是线粒体内膜，②是线粒体基质，③是线粒体外膜；图甲中的A、C、D分别代表了细胞呼吸的第一阶段、有氧呼吸的第二阶段(在线粒体基质中进行)、有氧呼吸的第三阶段(在线粒体内膜上进行)。有氧呼吸第三阶段释放的能量最多。图中的X应为丙酮酸，E为乙醇和二氧化碳。
题组一　细胞呼吸的本质及有氧呼吸
1．与小麦种子的无氧呼吸相比，其有氧呼吸特有的产物是(　　)
A．水 B．ATP
C．二氧化碳 D．酒精
答案　A
2．(2022·江苏扬州高一期末)下列关于植物光合作用和细胞呼吸的叙述，错误的是(　　)
A．光合作用的场所是叶绿体，细胞呼吸的场所是线粒体
B．水稻田适时排水晒田以保证根系通气
C．光合作用过程中光能转变为有机物中的化学能
D．细胞呼吸过程中有机物中的化学能可转变为热能和ATP中的化学能
答案　A
解析　植物细胞呼吸的场所是细胞质基质和线粒体，A错误；水稻田适时排水晒田的目的是保证根系通气进行有氧呼吸，防止根系无氧呼吸产生酒精，造成毒害，B正确。
题组二　无氧呼吸
3．人体剧烈运动时骨骼肌细胞可以通过无氧呼吸将葡萄糖分解为(　　)
A．NADPH B．ADP
C．酒精 D．乳酸
答案　D
4．(2022·江苏淮安高一期末)生活中去超市购买盒装酸奶，在装酸奶的盒上常有一个提示“盒盖鼓起请勿购买”，下列有关叙述正确的是(　　)
A．适当提高温度可以延长酸奶的保质期
B．酸奶的制作原理是利用微生物的无氧呼吸
C．盒盖鼓胀的原因是乳酸菌有氧呼吸产生CO2
D．微生物发酵使酸奶的营养物质不易被人体吸收
答案　B
解析　适当降低温度可以降低酶的活性，延长酸奶的保质期，A错误；乳酸菌是厌氧菌，其无氧呼吸产生乳酸，酸奶的制作原理是利用微生物的无氧呼吸，B正确；乳酸菌是厌氧菌，其无氧呼吸只产生乳酸，不产生气体，C错误；微生物发酵使酸奶的营养物质更易被人体吸收，D错误。
题组三　有氧呼吸与无氧呼吸的比较
5．下表是人在剧烈运动时，细胞进行有氧呼吸与无氧呼吸的区别。下列有关叙述错误的是(　　)
序号 类别 有氧呼吸 无氧呼吸
① 场所 主要在线粒体 细胞质基质
② 是否需氧 需氧参加 不需氧参加
③ 分解产物 二氧化碳、水 二氧化碳、酒精
④ 产生ATP 较多 较少
A.① B．②
C．③ D．④
答案　C
解析　人体细胞进行无氧呼吸时把葡萄糖等有机物分解成不彻底的氧化产物乳酸，并释放出少量的能量，C错误。
6．下图表示人体细胞中的两类呼吸作用。下列有关叙述中，错误的是(　　)
A．③过程既产生[H]，也消耗[H]
B．②过程中需要①过程提供[H]
C．③过程需要O2参与
D．②③过程进行的场所相同
答案　D
解析　③包括有氧呼吸的第二、第三阶段，有氧呼吸的第二阶段产生[H]，有氧呼吸第三阶段消耗[H]，A正确；②过程是无氧呼吸的第二阶段，反应物是细胞呼吸的第一阶段即图中的①产生的[H]和丙酮酸，故②过程中需要①过程提供[H]，B正确；③过程是有氧呼吸的第二、第三阶段，第三阶段需要氧气的参与，C正确；②过程的场所是细胞质基质，③过程的场所是线粒体，D错误。
题组四　探究酵母菌的呼吸方式
7．(2022·江苏盐城高一期末)如图是探究酵母菌无氧呼吸产物的实验装置，甲瓶中加入10 g酵母菌和240 mL葡萄糖溶液，乙瓶中加入澄清石灰水。下列有关叙述错误的是(　　)
A．实验中需将葡萄糖溶液控制在适宜浓度
B．二氧化碳的检测也可用溴麝香草酚蓝溶液
C．甲瓶应封口放置一段时间后，再与乙瓶相连通
D．从乙瓶中取样，鉴定酵母菌无氧呼吸是否产生酒精
答案　D
解析　二氧化碳可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝色变为黄绿色，故二氧化碳的检测也可用溴麝香草酚蓝溶液，B正确；探究酵母菌的无氧呼吸时，甲瓶应先密封培养一段时间，目的是消耗瓶中的氧气，然后再连通乙瓶，C正确；乙瓶中加入澄清石灰水，结果可证明无氧呼吸产生二氧化碳，应从甲瓶中取样鉴定酵母菌无氧呼吸是否产生酒精，D错误。
8．某生物兴趣小组利用酵母菌探究细胞呼吸类型，实验装置如图所示，下列说法不正确的是(　　)
A．实验自变量为是否通入O2
B．实验因变量为是否产生CO2
C．实验中需控制的无关变量有温度、pH等
D．相同反应时间内，乙装置中澄清石灰水的浑浊程度更高
答案　B
解析　由于甲、乙装置分别是无氧和有氧环境，该实验自变量为是否通入O2，A正确；该实验利用酵母菌探究细胞呼吸类型，自变量为是否通入O2，因变量为无氧和有氧环境下酵母菌细胞呼吸的产物，B错误；该实验的自变量是氧气的有无，而温度、pH、培养液浓度等条件均是无关变量，无关变量要适宜且相同，C正确；相同反应时间内，酵母菌进行有氧呼吸产生的二氧化碳更多，故乙装置中澄清石灰水的浑浊程度更高，D正确。
选择题9～10题为单选题，11～13题为多选题。
9．细胞呼吸的呼吸熵为细胞呼吸产生的CO2量与细胞呼吸消耗的O2量的比值。现有一瓶酵母菌和葡萄糖的混合液，培养条件适宜。下列据此做出的相关分析，错误的是(　　)
A．若测得酵母菌呼吸熵为1，则混合液中的酵母菌只进行有氧呼吸
B．若测得酵母菌呼吸熵大于1，则混合液中的酵母菌同时进行有氧呼吸和无氧呼吸
C．根据放出的气体是否能使溴麝香草酚蓝溶液由蓝色变为黄绿色，无法确定酵母菌的呼吸方式
D．若测得CO2产生量为15 mol，酒精的产生量为6 mol，可推测有2/3的葡萄糖用于有氧呼吸
答案　D
解析　据酵母菌有氧呼吸的反应式：C6H12O6＋6O2＋6H2O6CO2＋12H2O＋能量，无氧呼吸的反应式：C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋少量能量，当无氧呼吸产生酒精的量是6 mol时，无氧呼吸产生二氧化碳的量为6 mol，无氧呼吸消耗的葡萄糖的量是3 mol，细胞呼吸中CO2总产生量为15 mol，说明有氧呼吸产生二氧化碳量为9 mol，根据有氧呼吸方程式可知有氧呼吸消耗葡萄糖的量为1.5 mol，可推测有1.5÷(1.5＋3)＝1/3的葡萄糖用于有氧呼吸，D错误。
10．(2022·江苏南京高一期末)下列关于细胞呼吸的叙述，正确的是(　　)
A．水稻根部只能进行无氧呼吸，所以能长期适应缺氧环境
B．荔枝在无O2、保持干燥、零下低温中，可延长保鲜时间
C．登山时人体主要通过无氧呼吸获得能量
D．高等生物保留无氧呼吸，有利于对缺氧环境的适应
答案　D
解析　水稻根部细胞主要进行有氧呼吸，而无氧呼吸会产生酒精，对根细胞有毒害作用，所以不能长期适应缺氧环境，A错误；荔枝等水果的保存要求零上低温、低氧、湿度适宜，B错误；登山时人体主要通过细胞有氧呼吸获得能量，C错误。
11．下图表示萌发的小麦种子中可能发生的相关生理过程，a～e表示物质，①～④表示反应过程。下列相关叙述正确的是(　　)
A．a是丙酮酸，e为乙醇
B．d、b进出细胞的方式是自由扩散
C．c为[H]，在有氧呼吸和无氧呼吸中都能产生
D．催化③过程的酶存在于细胞质基质中
答案　ABC
解析　据图分析可知，a是丙酮酸，e为乙醇，A正确；d是氧气，b是CO2，二者进出细胞的方式为自由扩散，B正确；c为[H]，在有氧呼吸的前两个阶段以及无氧呼吸的第一个阶段中都能产生，C正确；③过程表示有氧呼吸的第三阶段，其场所为线粒体内膜，小麦种子中催化③过程的酶存在于线粒体内膜上，D错误。
12．下图中的a、b、c、d为植物细胞内物质转化的过程。下列有关叙述正确的是(　　)
A．b、d过程都有热能的释放
B．b、d过程在人体细胞中也可进行
C．a、c、d过程都是在生物膜上进行的
D．在光照充足等适宜条件下，a强于b，c强于d
答案　ABD
解析　根据图中的物质变化可知，b表示有氧呼吸第一、二阶段，d表示有氧呼吸第三阶段，有氧呼吸的三个阶段均有热能的释放；人体细胞可以进行有氧呼吸，即会发生图中的b、d过程；a过程表示暗反应，暗反应阶段发生在叶绿体基质中；在光照充足、条件适宜的情况下，光合作用强于细胞呼吸，所以a强于b，c强于d。
13．(2022·江苏苏州高一期末)图1所示装置可用于测定酵母菌细胞呼吸的方式，相关数据测定结果如图2所示。下列有关叙述正确的是(　　)
A．若改变图1所示装置的温度，图2中相关数据可能会发生改变
B．图2中曲线a、b相交时，酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸强度相等
C．图2中200～300 s间，酵母菌产生ATP的场所有细胞质基质和线粒体
D．图2中300 s后，酵母菌无氧呼吸产生的CO2与酒精的物质的量相等
答案　ACD
解析　细胞呼吸是在酶催化下发生的反应，酶受温度影响，因此若改变图1所示装置的温度，图2中相关数据可能会发生改变，A正确；曲线a、b相交时，只知道此时容器中酒精含量和氧气含量相等，不知道酒精产生速率和氧气消耗速率，所以无法判断有氧呼吸和无氧呼吸强度是否相等，B错误；图2中200～300 s间，酵母菌既可以进行有氧呼吸，也可以进行无氧呼吸，因此酵母菌产生ATP的场所有细胞质基质和线粒体，C正确；图2中300 s后，氧气含量为0，酵母菌只进行无氧呼吸，酵母菌无氧呼吸产生的CO2与酒精的物质的量相等，D正确。
14．(2022·江苏连云港高一期末)下图是利用酵母菌研究有氧呼吸的相关实验，回答下列问题：
实验一：在1、2、3号试管中加入适量的葡萄糖溶液。
实验二：在4、5、6号试管中分别加入适量的丙酮酸和水。
(1)实验一证实，葡萄糖被分解为丙酮酸的场所是______________，有氧呼吸第一阶段除产生丙酮酸外，还产生了少量贮能物质_____________________________________和__________。
(2)实验二证实，丙酮酸被彻底氧化分解的场所是__________________。分析作出这样判断的理由是________________________________________________________________________。
(3)学习了有氧呼吸后，有同学总结了如下的有氧呼吸过程概念图：
①填出图中c和d代表的物质名称：c_______________________，d__________________。
②归纳概念图所表达的细胞有氧呼吸的总反应式：__________________________________。
(4)某生物兴趣小组在做酵母菌发酵实验时，先通氧，后隔氧，发现产生的酒精量比一直隔氧情况下产生的量多得多。解释原因：____________________________________________。
答案　(1)细胞质基质　NADH([H])　ATP　(2)线粒体　只有含线粒体的实验(或4、5试管)产物为CO2和H2O　(3)①乙酰辅酶A　O2　②C6H12O6＋6O2＋6H2O6CO2＋12H2O＋能量　(4)先通氧有利于酵母菌生长、繁殖，为无氧呼吸提供更多的酵母菌
15．酵母菌是兼性厌氧生物，能同时进行有氧呼吸和无氧呼吸，图1表示的是酵母菌进行细胞呼吸的过程图解，图2为线粒体的亚显微结构模式图。据图回答下列问题：
(1)图1中①和②过程发生的场所是_________________________________________。
(2)图1中②和③过程都产生了CO2，③过程的CO2产生于图2中的__________(填“A”“B”或“C”)部位。
(3)若酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸消耗的葡萄糖摩尔数相等，则酵母菌细胞呼吸产生的CO2摩尔数与消耗的O2摩尔数的比为__________。
(4)将酵母菌培养液进行离心处理，把沉淀的酵母菌破碎后，再次离心处理为只含有酵母菌细胞质基质的上清液和只含有酵母菌细胞器的沉淀物两部分，按照下表处理(“＋”表示加入，“－”表示未加入)。
　　　加入成分 试管　 酵母菌 酵母菌细胞质基质 只含酵母菌细胞器的沉淀物 葡萄糖溶液 氧气
甲 ＋ － － ＋ ＋
乙 － ＋ － ＋ －
丙 － － ＋ ＋ ＋
一段时间后，能通过细胞呼吸产生CO2和H2O的试管是________________________________，能检测到酒精的试管是____________________。
答案　(1)细胞质基质　(2)C　(3)4∶3　(4)甲　乙

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