学年新教材生物人教版必修1学案542 光合作用的原理和应用.docx
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学年新教材生物人教版必修1学案542光合作用的原理和应用
第2课时 光合作用的原理和应用
课前自主预习案
一、光合作用的概念[填图]
二、光合作用的原理及探索
1．探索光合作用原理的部分实验
科学家
实验过程或依据
实验结论
19世纪末
科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛缩合成糖
甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖
1937年英
植物学
家希尔
在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有水，没有二氧化碳），在光照下可以释放出氧气
离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应。
说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应
1941年美
科学家鲁
宾和卡门
光合作用释放的O2全部来自H2O
1954年美
科学家
阿尔农
在光照下，叶绿体可合成ATP，并发现这一过程总是与水的光解相伴随
光照下叶绿体中发生的水的光解过程伴随ATP的产生
20世纪
40年代
卡尔文
用14C标记CO2
探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，即卡尔文循环
2.光合作用的过程
（1）过程及分析[据图填空]
（2）反应式
CO2＋H2O
（CH2O）＋O2
三、光合作用原理的应用
1．光合作用强度
（1）概念：
植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
（2）影响因素和衡量指标：
2．探究环境因素对光合作用强度的影响
实验流程：
1.判断下列有关光合作用叙述的正误
（1）光反应阶段发生在叶绿体内膜和类囊体薄膜上（ ）
（2）光反应过程中合成了ATP，需要的能量来源于呼吸作用分解的有机物（ ）
（3）光反应的进行不需要任何酶的参与（ ）
（4）高等绿色植物白天进行光反应，夜晚进行暗反应（ ）
（5）光反应为暗反应提供[H]和ATP（ ）
（6）暗反应必须在无光的条件下进行（ ）
（7）暗反应需要的ATP是由光合作用合成的糖经过有氧呼吸产生的（ ）
（8）在离体的叶绿体基质中添加[H]、ATP和CO2后，可以完成暗反应（ ）
（9）光反应和暗反应必须都在光照条件下才能进行（ ）
（10）光合作用产生的O2来自CO2和H2O中的O（ ）
（11）绿色植物光合作用的反应物是CO2和H2O，产物是有机物和O2（ ）
（12）绿色植物进行光合作用的能量来源于光能（ ）
（13）光合作用强度的影响因素有CO2浓度、温度、光照强度等外界因素（ ）
（14）光照强度对光合作用强度的影响实验中，可以通过调节台灯与实验装置间的距离来调节光照强度（ ）
（15）探究实验中，小圆形叶片浮起的原因是叶片进行呼吸作用产生的二氧化碳导致的（ ）
答案：
（1）×
（2）× （3）× （4）× （5）√ （6）× （7）×（8）√ （9）× （10）× （11）√ （12）√ （13）√ （14）√（15）×
2．将下列生产实例和利用的光合作用原理连接起来
课堂互动探究案
【课程标准】
说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转化并储存为糖分子中的化学能
探究不同环境因素对光合作用的影响
提取和分离叶绿体色素
【素养达成】
1．阅读科学家对光合作用的探究过程，了解人们对光合作用认识的过程。
（科学思维）
2．结合实例及教材图5—14，掌握光合作用的光反应和暗反应过程以及二者的关系。
（科学思维）
3．认识生命活动不仅具有物质基础，还需要能量驱动，而能量的供应和利用都离不开物质的变化，物质是能量的载体，能量是物质变化的动力，初步建立物质和能量观。
（科学思维）
4．联系日常生活实际，思考影响光合作用的环境因素以及光合作用原理的实践应用。
（社会责任）
同学们，诗中的“你”是指什么？
为什么会给“我”生命的甘露、无穷的能量？
探究点一 光合作用的原理及探索
【师问导学】
一、光合作用原理的探索实验分析
1．实验一：
1937年，英国剑桥大学的希尔用离体的叶绿体做实验。
他将离体的叶绿体加到具有H受体的水溶液中，在无CO2的条件下给予光照，发现叶绿体中有O2放出。
由实验一说明：
____________________________________________________________。
答案：
叶绿体在有H受体的水溶液中光照可产生O2
2．实验二：
科学家在黑暗时把叶绿体基粒放在pH＝4的溶液中，让基粒类囊体膜腔的pH值下降至4，然后将基粒移入pH＝8并含有ADP和Pi的缓冲溶液中（如图）。
一段时间后，有ATP产生。
上述实验结果表明，基粒类囊体合成ATP的原因是膜内外存在__________________。
据此推测，叶绿体在自然状态下产生ATP的过程中，光能的作用是使水分解产生________，使类囊体膜内外之间产生________。
答案：
H＋梯度（H＋浓度差） H＋ H＋梯度（H＋浓度差）
3．实验三：
如图是利用小球藻进行光合作用实验的示意图，图中A物质和B物质的相对分子质量之比是多少？
答案：
8：
9
4．实验四：
1954年美国阿尔农等用离体的叶绿体做实验。
在给叶绿体照光时发现，当向反应体系中供给ADP、Pi和H受体时，体系中就会有ATP和[H]产生。
在黑暗条件下，只要供给了ATP和[H]，叶绿体就能将CO2转变为糖。
上述实验说明：
___________________________________________________________。
答案：
叶绿体照光条件下，反应体系中有ADP、Pi和H受体存在下可产生ATP和[H]。
在黑暗条件下，有ATP和[H]时，叶绿体可将CO2转变为糖
5．实验五：
20世纪40年代，卡尔文及其同事因在光合作用方面的研究成果，获得了1961年的诺贝尔化学奖。
卡尔文将小球藻装在一个密闭容器中，通过一个通气管向容器中通入CO2，通气管上有一个开关，可控制CO2的供应，容器周围有光源，通过控制电源开关可控制光照的有无。
他向密闭容器中通入14CO2，当反应进行到5s时，14C出现在一种五碳化合物（C5）和一种六碳糖（C6）中，将反应时间缩短到0.5s时，14C出现在一种三碳化合物（C3）中，上述实验中卡尔文等是通过控制________来探究CO2中碳原子转移路径的，采用了____________等技术方法，实验结果说明CO2中C的转移路径是________________（请用“→”表示）。
卡尔文及其同事们在实验过程中发现，在有光照和CO2供应的条件下，C3和C5的浓度很快达到饱和并保持稳定。
但是，当改变其中一个实验条件后，二者的浓度迅速出现了规律性的变化：
停止CO2供应时，C3的浓度急速降低，C5的浓度急速升高。
停止光照时，C3的浓度急速升高，C5的浓度急速降低。
由此可见C3和C5之间的关系是______（请用箭头表示）。
答案：
反应时间 同位素示踪法（同位素标记法） CO2→C3→C5、C6
二、结合光反应过程与暗反应过程回答下列问题
1．为什么暗反应不能较长时间地在黑暗条件下进行？
答案：
因为光反应为暗反应提供的[H]、ATP是有限的。
2．试利用同位素示踪法，分析光合作用过程中各元素的转移途径。
（1）用放射性同位素分别标记H2O中的H和O，则能在光合作用的哪些物质中检测到放射性？
（2）若标记CO2中的14C，请写出光合作用中14C的转化途径。
（3）试总结光合作用各元素的去向。
答案：
（1）O可在释放的O2中检测到；H可在产生的糖类中检测到。
（2）14CO2＋C5―→2C3（只有一个14C）―→（14CH2O）。
（3）光合作用总反应式及各元素去向：
3．结合光反应和暗反应过程分析，若突然停止光照或停止CO2供应，叶绿体中C3和C5相对含量发生怎样的变化？
答案：
①停止光照：
C3含量相对增加，C5含量相对减少。
②停止CO2供应：
C3含量相对减少，C5含量相对增加。
【智涂笔记】
（1）鲁宾和卡门实验的对照方式为相互对照（通过标记不同的物质：
H218O与C18O2）。
（2）鲁宾、卡门和卡尔文用的实验方法为同位素标记法（同位素示踪法）。
（3）还原剂[H]是指还原型辅酶Ⅱ（NADPH），由氧化型辅酶Ⅱ（NADP＋）接受电子和H＋形成。
（4）光合产物主要是糖类（蔗糖、淀粉），蛋白质、脂肪和有机酸也是光合作用的直接产物。
【师说核心】
1．鲁宾和卡门实验
（1）巧妙之处：
两组实验相互对照直观地表现出氧气来自水中的氧，而不是来自二氧化碳中的氧。
（2）自变量为被标记的C18O2和H
O，因变量是O2的放射性。
2．卡尔文循环
（1）探究方法——同位素标记法：
用14C标记CO2，追踪检测放射性，探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。
（2）结论：
碳的转化途径：
14CO2＋C5→14C3→（14CH2O）。
3．光合作用过程图解
4．两者的区别
比较项目
光反应
暗反应
实质
光能转换为化学能，并放出O2
固定CO2，形成有机物
时间长短
短促
较缓慢
需要条件
色素、光照、酶
不需要色素和光，需要多种酶
反应场所
叶绿体类囊体的薄膜上
叶绿体的基质中
物质变化
①水的光解：
水分解生成[H]和O2；
②ATP的合成：
在相关酶的作用下ADP和Pi形成ATP
①CO2的固定：
CO2＋C5→2C3；
②C3的还原：
2C3＋[H]
（CH2O）＋C5
能量变化
光能→ATP中活跃的化学能
ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
相应产物
O2、ATP和[H]
葡萄糖等有机物
5.两者的联系
（1）光反应为暗反应提供[H]和ATP；暗反应为光反应提供ADP和Pi，即两个反应阶段相辅相成，密切联系。
（2）没有光反应，暗反应缺乏[H]和ATP，无法进行；暗反应受阻，光反应因产物积累也不能正常进行。
可见，二者相互制约。
6．当外界条件改变时，光合作用中C3、C5、[H]、ATP含量的变化可以采用下图分析：
（1）改变光照条件
（2）改变CO2浓度
【检测反馈】
1．（合格必考）鲁宾和卡门用H
O和CO2作为原料进行光合作用实验，下列符合实验结果的是（ ）
A．释放的氧气全是O2
B．释放的氧气一部分是O2，一部分是18O2
C．释放的氧气全是18O2
D．释放的氧气大部分是O2，少部分是18O2
解析：
鲁宾和卡门用H218O和CO2作为原料进行光合作用实验，其目的是为了探究光合作用释放出的O2的来源，通过放射性检测，光合作用产生的O2全部来源于水。
答案：
C
2．（合格必考）光合作用包括光反应和暗反应两个阶段，参与暗反应必需的物质是（ ）
A．H2O、CO2、ADPB．CO2、[H]、ATP
C．H2O、CO2、ATPD．[H]、H2O、ADP
解析：
暗反应过程包括二氧化碳的固定和三碳化合物的还原，在此过程中需要CO2、[H]和ATP及多种酶参与反应。
答案：
B
3．（合格必考）光合作用的光反应和暗反应依次发生在（ ）
A．细胞质、细胞核中
B．叶绿体的外膜、内膜上
C．叶绿体的类囊体薄膜上、叶绿体的基质中
D．叶绿体的基质中、叶绿体的类囊体膜上
解析：
光反应发生在叶绿体类囊体薄膜上，暗反应发生在叶绿体基质中。
答案：
C
4．（合格必考）正常生长的绿藻，照光培养一段时间后，用黑布迅速将培养瓶罩上，此后绿藻细胞的叶绿体内不可能发生的现象是（ ）
A．O2的产生停止
B．CO2的固定加快
C．ATP/ADP比值下降
D．NADPH/NADP＋比值下降
解析：
用黑布将培养瓶罩上，光反应停止，氧气的产生停止，A正确；同时NADPH和ATP的产生停止，使暗反应C3的还原速度减慢，从而导致二氧化碳的固定减慢，B错误；ADP生成ATP减少，使ATP/ADP比值下降，C正确；NADPH的产生减少，NADPH/NADP＋比值下降，D正确。
答案：
B
5．（等级选考）玉兰叶肉细胞在光照下进行稳定的光合作用时，如果将它移至暗室中，短时间内叶绿体中C3与C5相对含量的变化分别是（ ）
A．增多 减少B．减少 增多
C．增多 增多D．减少 减少
解析：
叶肉细胞在光照下进行稳定的光合作用时，C3和C5处于动态平衡状态；移至暗室后，短时间内由于光反应速度下降，ATP和[H]的合成减少，C3还原成C5的过程受到影响，而C5仍能正常和CO2反应生成C3，故C3增多，C5减少。
答案：
A
6．（等级选考）A.Benson与M.Calvin于1949年采用放射性同位素自显影技术对光合作用进行研究。
以下是他们研究过程的简述：
往小球藻培养液中通入14CO2后，分别给予小球藻不同的光照时间后立即杀死小球藻。
从培养液中提出产生的放射性物质进行分析。
结果如下：
实验组别
光照时间（s）
放射性物质分布
1
20
12种磷酸化糖类
2
60
除上述12种磷酸化糖类外，还有氨基酸、有机酸等
3
2
大量3磷酸甘油酸
请根据上述实验资料分析，下列选项错误的是（ ）
A．本实验原料只有CO2，暗反应的产物是有机物
B．CO2进入叶绿体后，最初形成的主要物质是3磷酸甘油酸
C．实验结果还说明光合作用产生的有机物还包括氨基酸、有机酸等
D．从CO2进入叶绿体到产生有机物的整个过程看，产生的有机物主要是磷酸化糖类
解析：
光合作用所需要的原料除了二氧化碳还有水，A错误；从表中可以看出，放射性首先出现在3磷酸甘油酸中，B正确；60s后，放射性出现在除上述12种磷酸化糖类外，还有氨基酸、有机酸等，C正确；从表中可以看出，产生的有机物主要是磷酸化糖类，D正确。
答案：
A
7．（等级选考）[2019·东城高一期末]ATP作为细胞中的直接能源物质为细胞生命活动直接提供能量。
为了研究ATP合成过程中的能量转换机制，科学家利用提纯的大豆磷脂、某种细菌膜蛋白（Ⅰ）和牛细胞中的ATP合成酶（Ⅱ）构建了ATP体外合成体系，如图所示。
请回答问题：
（1）ATP在供能时，远离A的________断裂，将能量释放出来。
（2）科学家利用人工体系模拟了ATP合成时的能量转换过程。
在叶绿体中此过程发生的场所为________。
（3）科学家利用人工体系进行了相关实验，如下表。
组别
人工体系
H＋通过
Ⅰ的转运
H＋通过
Ⅱ的转运
ATP
大豆磷脂
构成的囊泡
Ⅰ
Ⅱ
1
＋
＋
＋
有
有
产生
2
＋
－
＋
无
无
不产生
3
＋
＋
－
有
无
不产生
注：
“＋”、“－”分别表示人工体系中组分的“有”、“无”
①比较第1组和第2组的结果可知，Ⅰ可以转运H＋进入囊泡。
进一步研究发现，第1组囊泡内pH比囊泡外低1.8，说明囊泡内的H＋浓度________囊泡外。
②比较第1组和第3组的结果可知，伴随图中的________的过程，ADP和Pi合成ATP。
（4）结合图与实验分析，说明人工体系产生ATP的能量转换过程是光能→________→ATP中的化学能。
解析：
分析图形，H＋进入囊泡通过Ⅰ过程，需要光，说明该囊泡模拟的是叶绿体的类囊体薄膜；H＋通过Ⅱ出囊泡，形成ATP，说明模拟的是线粒体的内膜。
（1）ATP中远离A的高能磷酸键断裂，释放能量，供给各项耗能的生命活动。
（2）叶绿体中合成ATP的场所是类囊体薄膜。
（3）第1组囊泡内pH比囊泡外低1.8，说明囊泡内的H＋浓度高，大于囊泡外的H＋浓度。
②比较第1组和第3组的结果可知，伴随H＋通过Ⅱ向囊泡外转运的过程，ADP和Pi合成ATP。
（4）上述实验数据分析可知人工体系产生ATP的能量转换过程是：
光能→H＋电化学势能→ATP中的化学能。
答案：
（1）高能磷酸键
（2）类囊体膜（囊状结构薄膜）
（3）①高于（大于） ②H＋通过Ⅱ向囊泡外转运
（4）H＋电化学势能（H＋浓度梯度势能）
探究点二 光合作用原理的应用
【师问导学】
1．光照强度对光合作用强度的影响
如图表示光照强度对光合作用强度的影响曲线，分析曲线讨论并回答：
（1）A点时，光照强度为0，对应的CO2来源于哪些生理过程？
其释放量的含义是什么？
（2）B点时，所对应的CO2吸收量和释放量为0，试分析此时光合速率与细胞呼吸速率的关系及B点的含义。
（3）C点时，CO2吸收量达到最高，请讨论C点的含义并分析CO2吸收量达到最高前、后的主要限制因素分别是什么？
答案：
（1）A点时，光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，其单位时间内释放的CO2量，可表示此时的细胞呼吸速率。
（2）B点时，细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用，即光合速率＝呼吸速率，此点为光补偿点。
（3）当达到C点后，光合作用不再随光照强度的升高而增加，称之为光饱和点。
CO2吸收量达到最高前的主要限制因素是光照强度，CO2吸收量达到最高后的主要限制因素为温度和CO2浓度。
2．结合细胞呼吸，人们用下面的曲线来表示光照强度和光合作用强度之间的关系，请分析：
（1）图中A、B、C各点代表的生物学意义分别是什么？
（2）OA段的含义是什么？
其大小主要受哪种环境因素的影响？
（3）DE段的含义是什么？
如果此时想增加光合作用强度，可以采取哪些措施？
（4）若光合作用和呼吸作用的最适温度分别为25℃和30℃，这是在25℃测得的曲线，若温度升至30℃，曲线中A点、B点将如何变化？
（5）通过实验测得一片叶子在不同光照强度下气体吸收和释放的情况如下图所示。
那么曲线中AB段（不包括A、B两点）中哪些过程是存在的（用下图字母表示）?
答案：
（1）A点：
光照强度为零，只进行细胞呼吸。
B点：
光合作用强度等于呼吸作用强度，为光补偿点。
C点：
光合作用达到最大值时所需要的最小光照强度，即光饱和点。
（2）OA段代表呼吸作用强度。
其大小主要受温度的影响。
（3）DE段光合作用强度达到饱和，不再随光照强度的增强而增加。
可以通过调整温度和增加CO2浓度等措施增加光合作用强度。
（4）A点下移，B点右移。
（5）c、d、e、f。
3．其他环境因素对光合作用的影响
（1）温度：
温度通过影响酶的活性来影响光合作用强度，据此请在坐标系中画出温度和光合作用强度的关系曲线（一般植物的适宜温度在35℃左右）。
（2）二氧化碳浓度
在一定范围内，植物光合速率随CO2浓度的增大而____________；但达到一定浓度时，再增加CO2浓度，光合速率也____________。
（3）矿质元素：
缺少N会影响酶的合成，缺少P会影响________的合成；缺少Mg会影响________的合成。
答案：
（1）如图所示
（2）增加 不再增加 （3）ATP 叶绿素
4．科学家研究CO2浓度、光照强度和温度对同一植物光合作用强度的影响，得到实验结果如图，请据图分析：
（1）光照强度为a时，曲线Ⅰ和Ⅱ重合说明什么？
此时造成曲线Ⅱ和Ⅲ光合作用强度差异的原因是什么？
（2）光照强度为b时，造成曲线Ⅰ和Ⅱ光合作用强度差异的原因是什么？
（3）光照强度为c时，每条曲线都呈现水平状态，说明什么？
答案：
（1）光照强度为a时，曲线Ⅰ和Ⅱ重合说明温度不是限制因素，光照强度才是限制因素。
此时造成曲线Ⅱ和Ⅲ光合作用强度差异的原因是CO2浓度不同。
（2）温度的不同。
（3）此时每条曲线都达到了光饱和点，光合作用不再上升。
【智涂笔记】
本实验中易产生的两个认识误区
（1）本实验中所测的数值并不代表光合作用的真实值，而是光合作用的净产值，即光合作用强度减去呼吸作用强度。
（2）叶片浮起之前并不是不进行光合作用，而是光合速率小于呼吸速率或者是产生的氧气量较少。
[归纳拓展] 关于环境因素影响光合速率的两点提醒
（1）温度改变对光合作用的影响：
当温度改变时，不管是光反应还是暗反应都会受影响，但主要是影响暗反应，因为参与暗反应的酶的种类和数量都比参与光反应的多。
（2）CO2浓度对光合作用的影响：
CO2浓度很低时，光合作用不能进行，但CO2浓度过高时，会抑制植物的细胞呼吸，进而影响光合作用。
【师说核心】
一、探究环境因素对光合作用强度的影响实验
1．实验原理
叶片含有空气，上浮
叶片下沉
充满细胞间隙，叶片上浮。
2．实验中沉水叶片的制备
（1）小圆形叶片的制备：
用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出小圆形叶片。
（2）沉水：
用注射器抽出叶片内气体，放入黑暗处盛有清水的烧杯中，小圆形叶片全部沉到水底。
（3）黑暗目的：
防止光合作用的进行。
3．实验装置分析
（1）自变量的设置：
光照强度是自变量，通过调整台灯与烧杯之间的距离来调节光照强度的大小。
（2）中间盛水玻璃柱的作用：
吸收灯光的热量，避免光照对烧杯内水温产生影响，排除温度的影响。
（3）因变量是光合作用强度，可通过观测单位时间内被抽去空气的小圆形叶片上浮的数量或者是浮起相同数量的叶片所用的时间长短来衡量光合作用的强弱。
4．实验结果分析
（1）在黑暗情况下，植物叶片只进行细胞呼吸，吸收氧气，产生的二氧化碳较易溶于水，所以叶片沉在水底。
细胞生理状态如图：
（2）在弱光下，此时的光合作用小于或等于细胞呼吸，叶片中仍然没有足够的氧气，叶片仍然沉在水底。
细胞生理状态如图：
（3）在中、强光下，光合作用大于细胞呼吸，叶片中会有足够的氧气产生，从而充满了细胞间隙并释放到外界一部分，使叶片浮起来。
细胞生理状态如图：
二、环境因素对光合速率影响的分析
1．单因子变量对光合速率的影响
（1）光照强度（如图）
①曲线分析：
项目
曲线点、段
进行的生理过程
气体转移情况
对应的生理
状态模型
A点
只进行呼吸作用
吸收O2、
释放CO2
AB段
呼吸作用、光合作用同时进行且呼吸作用>光合作用
吸收O2、
释放CO2
B点
呼吸作用、光合作用同时进行且呼吸作用＝光合作用
不与外界进
行气体交换
B点以后
呼吸作用、光合作用同时进行且呼吸作用<光合作用
吸收CO2、
释放O2
②应用：
阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物低，如图中虚线所示。
间作套种农作物，可合理利用光能。
（2）CO2浓度
①曲线分析：
图1中A点表示CO2补偿点，即光合速率等于呼吸速率时的CO2浓度，图2中A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。
B和B′点都表示CO2饱和点。
②应用：
在农业生产上可以通过“正其行，通其风”，增施农家肥等增大CO2浓度，提高光合速率。
（3）温度
①曲线分析：
温度主要通过影响与光合作用有关酶的活性而影响光合速率。
②应用：
冬季，温室栽培白天可适当提高温度；晚上可适当降低温度，以降低细胞呼吸消耗有机物。
2．多因子变量对光合速率的影响
（1）曲线分析：
P点：
限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随着因子的不断加强，光合速率不断提高
Q点：
横坐标所表示的因素不再是影响光合速率的因子，影响因素主要为各曲线所表示的因子。
（2）应用：
温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合酶的活性，提高光合速率，也可同时适当增加CO2浓度，进一步提高光合速率；当温度适宜时，可适当增加光照强度和CO2浓度以提高光合速率。
三、光合作用与细胞呼吸的相关计算
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