TED日本語 - ジム・アルカリリ: 量子生物学は生命の最大の謎を解明するか?


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TED日本語 - ジム・アルカリリ: 量子生物学は生命の最大の謎を解明するか?

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How quantum biology might explain life's biggest questions


Jim Al-Khalili






I'd like to introduce you to an emerging area of science,one that is still speculative but hugely exciting, and certainly one that's growing very rapidly.

Quantum biology asks a very simple question: Does quantum mechanics -- that weird and wonderful and powerful theory of the subatomic world of atoms and molecules that underpins so much of modern physics and chemistry -- also play a role inside the living cell? In other words: Are there processes, mechanisms, phenomena in living organisms that can only be explained with a helping hand from quantum mechanics? Now, quantum biology isn't new; it's been around since the early 1930s. But it's only in the last decade or so that careful experiments -- in biochemistry labs, using spectroscopy -- have shown very clear, firm evidence that there are certain specific mechanisms that require quantum mechanics to explain them. Quantum biology brings together quantum physicists, biochemists, molecular biologists -- it's a very interdisciplinary field. I come from quantum physics, so I'm a nuclear physicist.

I've spent more than three decades trying to get my head around quantum mechanics. One of the founders of quantum mechanics, Niels Bohr, said, If you're not astonished by it, then you haven't understood it. So I sort of feel happy that I'm still astonished by it. That's a good thing. But it means I study the very smallest structures in the universe -- the building blocks of reality. If we think about the scale of size, start with an everyday object like the tennis ball, and just go down orders of magnitude in size -- from the eye of a needle down to a cell, down to a bacterium, down to an enzyme -- you eventually reach the nano-world.

Now, nanotechnology may be a term you've heard of. A nanometer is a billionth of a meter. My area is the atomic nucleus, which is the tiny dot inside an atom. It's even smaller in scale. This is the domain of quantum mechanics, and physicists and chemists have had a long time to try and get used to it. Biologists, on the other hand, have got off lightly, in my view. They are very happy with their balls-and-sticks models of molecules.


The balls are the atoms, the sticks are the bonds between the atoms. And when they can't build them physically in the lab, nowadays, they have very powerful computers that will simulate a huge molecule. This is a protein made up of 100,000 atoms. It doesn't really require much in the way of quantum mechanics to explain it. Quantum mechanics was developed in the 1920s. It is a set of beautiful and powerful mathematical rules and ideas that explain the world of the very small. And it's a world that's very different from our everyday world, made up of trillions of atoms. It's a world built on probability and chance. It's a fuzzy world. It's a world of phantoms, where particles can also behave like spread-out waves.

If we imagine quantum mechanics or quantum physics, then, as the fundamental foundation of reality itself, then it's not surprising that we say quantum physics underpins organic chemistry. After all, it gives us the rules that tell us how the atoms fit together to make organic molecules. Organic chemistry, scaled up in complexity, gives us molecular biology, which of course leads to life itself. So in a way, it's sort of not surprising. It's almost trivial. You say, "Well, of course life ultimately must depend of quantum mechanics." But so does everything else. So does all inanimate matter, made up of trillions of atoms.

Ultimately, there's a quantum level where we have to delve into this weirdness. But in everyday life, we can forget about it. Because once you put together trillions of atoms, that quantum weirdness just dissolves away. Quantum biology isn't about this. Quantum biology isn't this obvious. Of course quantum mechanics underpins life at some molecular level. Quantum biology is about looking for the non-trivial -- the counterintuitive ideas in quantum mechanics -- and to see if they do, indeed, play an important role in describing the processes of life.

Here is my perfect example of the counterintuitiveness of the quantum world. This is the quantum skier. He seems to be intact, he seems to be perfectly healthy, and yet, he seems to have gone around both sides of that tree at the same time. Well, if you saw tracks like that you'd guess it was some sort of stunt, of course. But in the quantum world, this happens all the time. Particles can multitask, they can be in two places at once. They can do more than one thing at the same time. Particles can behave like spread-out waves. It's almost like magic.

Physicists and chemists have had nearly a century of trying to get used to this weirdness. I don't blame the biologists for not having to or wanting to learn quantum mechanics.

You see, this weirdness is very delicate; and we physicists work very hard to maintain it in our labs. We cool our system down to near absolute zero, we carry out our experiments in vacuums, we try and isolate it from any external disturbance. That's very different from the warm, messy, noisy environment of a living cell. Biology itself, if you think of molecular biology, seems to have done very well in describing all the processes of life in terms of chemistry -- chemical reactions. And these are reductionist, deterministic chemical reactions, showing that, essentially, life is made of the same stuff as everything else, and if we can forget about quantum mechanics in the macro world, then we should be able to forget about it in biology, as well.

Well,one man begged to differ with this idea. Erwin Schrodinger, of Schrodinger's Cat fame, was an Austrian physicist. He was one of the founders of quantum mechanics in the 1920s. In 1944, he wrote a book called "What is Life?" It was tremendously influential. It influenced Francis Crick and James Watson, the discoverers of the double-helix structure of DNA. To paraphrase a description in the book, he says: At the molecular level, living organisms have a certain order, a structure to them that's very different from the random thermodynamic jostling of atoms and molecules in inanimate matter of the same complexity.

In fact, living matter seems to behave in this order, in a structure, just like inanimate matter cooled down to near absolute zero, where quantum effects play a very important role. There's something special about the structure -- the order -- inside a living cell. So, Schrodinger speculated that maybe quantum mechanics plays a role in life. It's a very speculative, far-reaching idea, and it didn't really go very far.

But as I mentioned at the start, in the last 10 years, there have been experiments emerging, showing where some of these certain phenomena in biology do seem to require quantum mechanics.

I want to share with you just a few of the exciting ones. This is one of the best-known phenomena in the quantum world, quantum tunneling. The box on the left shows the wavelike, spread-out distribution of a quantum entity -- a particle, like an electron, which is not a little ball bouncing off a wall. It's a wave that has a certain probability of being able to permeate through a solid wall, like a phantom leaping through to the other side. You can see a faint smudge of light in the right-hand box. Quantum tunneling suggests that a particle can hit an impenetrable barrier, and yet somehow, as though by magic, disappear from one side and reappear on the other. The nicest way of explaining it is if you want to throw a ball over a wall, you have to give it enough energy to get over the top of the wall. In the quantum world, you don't have to throw it over the wall, you can throw it at the wall, and there's a certain non-zero probability that it'll disappear on your side, and reappear on the other.

This isn't speculation, by the way. We're happy -- well, "happy" is not the right word --


we are familiar with this.


Quantum tunneling takes place all the time; in fact, it's the reason our Sun shines. The particles fuse together, and the Sun turns hydrogen into helium through quantum tunneling. Back in the 70s and 80s, it was discovered that quantum tunneling also takes place inside living cells. Enzymes, those workhorses of life, the catalysts of chemical reactions -- enzymes are biomolecules that speed up chemical reactions in living cells, by many, many orders of magnitude. And it's always been a mystery how they do this.

Well, it was discovered that one of the tricks that enzymes have evolved to make use of, is by transferring subatomic particles, like electrons and indeed protons, from one part of a molecule to another via quantum tunneling. It's efficient, it's fast, it can disappear -- a proton can disappear from one place, and reappear on the other. Enzymes help this take place.

This is research that's been carried out back in the 80s, particularly by a group in Berkeley, Judith Klinman. Other groups in the UK have now also confirmed that enzymes really do this.

Research carried out by my group -- so as I mentioned, I'm a nuclear physicist, but I've realized I've got these tools of using quantum mechanics in atomic nuclei, and so can apply those tools in other areas as well. One question we asked is whether quantum tunneling plays a role in mutations in DNA. Again, this is not a new idea; it goes all the way back to the early 60s. The two strands of DNA, the double-helix structure, are held together by rungs; it's like a twisted ladder. And those rungs of the ladder are hydrogen bonds -- protons, that act as the glue between the two strands. So if you zoom in, what they're doing is holding these large molecules -- nucleotides -- together. Zoom in a bit more. So, this a computer simulation. The two white balls in the middle are protons, and you can see that it's a double hydrogen bond. One prefers to sit on one side; the other, on the other side of the two strands of the vertical lines going down, which you can't see. It can happen that these two protons can hop over. Watch the two white balls. They can jump over to the other side. If the two strands of DNA then separate, leading to the process of replication, and the two protons are in the wrong positions, this can lead to a mutation.

This has been known for half a century. The question is: How likely are they to do that, and if they do, how do they do it? Do they jump across, like the ball going over the wall? Or can they quantum-tunnel across, even if they don't have enough energy? Early indications suggest that quantum tunneling can play a role here. We still don't know yet how important it is; this is still an open question. It's speculative, but it's one of those questions that is so important that if quantum mechanics plays a role in mutations, surely this must have big implications, to understand certain types of mutations, possibly even those that lead to turning a cell cancerous.

Another example of quantum mechanics in biology is quantum coherence, in one of the most important processes in biology, photosynthesis: plants and bacteria taking sunlight, and using that energy to create biomass. Quantum coherence is the idea of quantum entities multitasking. It's the quantum skier. It's an object that behaves like a wave, so that it doesn't just move in one direction or the other, but can follow multiple pathways at the same time.

Some years ago, the world of science was shocked when a paper was published showing experimental evidence that quantum coherence takes place inside bacteria, carrying out photosynthesis. The idea is that the photon, the particle of light, the sunlight, the quantum of light captured by a chlorophyll molecule, is then delivered to what's called the reaction center, where it can be turned into chemical energy. And in getting there, it doesn't just follow one route; it follows multiple pathways at once, to optimize the most efficient way of reaching the reaction center without dissipating as waste heat. Quantum coherence taking place inside a living cell. A remarkable idea, and yet evidence is growing almost weekly, with new papers coming out, confirming that this does indeed take place.

My third and final example is the most beautiful, wonderful idea. It's also still very speculative, but I have to share it with you. The European robin migrates from Scandinavia down to the Mediterranean, every autumn, and like a lot of other marine animals and even insects, they navigate by sensing the Earth's magnetic field. Now, the Earth's magnetic field is very, very weak; it's 100 times weaker than a fridge magnet, and yet it affects the chemistry -- somehow -- within a living organism. That's not in doubt -- a German couple of ornithologists, Wolfgang and Roswitha Wiltschko, in the 1970s, confirmed that indeed, the robin does find its way by somehow sensing the Earth's magnetic field, to give it directional information -- a built-in compass.

The puzzle, the mystery was: How does it do it? Well, the only theory in town -- we don't know if it's the correct theory, but the only theory in town -- is that it does it via something called quantum entanglement. Inside the robin's retina -- I kid you not -- inside the robin's retina is a protein called cryptochrome, which is light-sensitive. Within cryptochrome, a pair of electrons are quantum-entangled. Now, quantum entanglement is when two particles are far apart, and yet somehow remain in contact with each other. Even Einstein hated this idea; he called it "spooky action at a distance."


So if Einstein doesn't like it, then we can all be uncomfortable with it. Two quantum-entangled electrons within a single molecule dance a delicate dance that is very sensitive to the direction the bird flies in the Earth's magnetic field.

We don't know if it's the correct explanation, but wow, wouldn't it be exciting if quantum mechanics helps birds navigate? Quantum biology is still in it infancy. It's still speculative. But I believe it's built on solid science. I also think that in the coming decade or so, we're going to start to see that actually, it pervades life -- that life has evolved tricks that utilize the quantum world. Watch this space.

Thank you.


最近注目されるようになってきた 科学の一分野を紹介したいと思います それはとても興味深い分野です まだ確立はしていないものの この分野は確実にそして 急速に進歩しています

量子生物学の問いかけは とてもシンプルです 量子力学は ― 奇妙ながら素晴らしく かつ強力な理論であり 原子や分子を構成する 亜原子の世界を記述し 現代物理学や化学の 土台となっていますが ― この理論が生物の細胞においても 重要な働きがあるのか という問いです 別の言葉でいえば 量子力学によってのみ説明し得るような 生物におけるプロセス、機構、現象といったものが あるのだろうか という問いかけです さて 量子生物学は 新しい学問ではありません 1930年代の前半頃に登場しました しかし ここ十年程になって 生化学の実験室において 分光学的な手法によって 精密な実験が行われ 量子力学によってのみ説明可能な 生体におけるある種の仕組みがあるという とても明確で確固たる証拠が得られました 量子生物学の分野においては 量子物理学者、生化学者 分子生物学者が 密に協力して研究が進められています 私は量子力学者 つまり核物理学を専門としています

30年以上の間 量子力学について 思考を巡らせてきました 量子力学の創始者の一人 ニールス・ボーアは言っています 「驚きを感じないようであれば この理論は理解できていない」 と 私は今でも驚きを感じていますから ある意味満足しています これは良いことです さて私は物体を構成する基本ブロック ― 宇宙における最小構造を研究しています そのスケールとはこんな感じです 日常的なテニスボールから始め ― 何桁も小さなものを見ていきます 針穴、細胞、バクテリア そして酵素へとさかのぼり やがてナノの世界に辿りつきます

ナノテクノロジーという言葉を 耳にしたこともあるでしょう ナノメートルとは1メートルの十億分の1です 私の専門分野は原子核に関するもので それは原子の中ではほんの一点に過ぎず もっと小さなスケールです これが量子力学のカバーする領域であり 物理学者や化学者が理解を深めようと 努めてきた分野です 一方 生物学者はこの分野からは 少し距離を置いていたと思います 球と棒からなる分子模型に 十分満足していますから


球は原子を 棒は原子間の結合を表しています 実験室で物理的に こういうものが作れなくても 今ではパワフルなコンピューターによって 巨大な分子のシミュレーションが可能です これは十万個の原子からなるタンパク質です これを理解するのに 量子力学はほとんど必要としません 量子力学は1920年代に生まれました 一連の美しく かつパワフルな 数学的な規則と概念によって とても微小な世界を説明します 何兆もの原子からなるような 日常の世界とは かけ離れています 確率と偶然が支配する ファジーな世界です まるで幻影を見ているようであり そこでは粒子は 広がりを持った波としても振舞います

量子力学 もしくは量子物理学が 現実の世界の基本原理と考えるのならば 有機化学にも量子物理学の 影響があると考えても 不思議ではありません つまるところ この理論によって 原子が一体となり有機分子が形成される 規則が説明されます 有機化学は複雑さが増すことによって 分子生物学となり そしてもちろん 生命そのものにつながります これが想定内だと言える理由です そんな説明では不十分です 「もちろん とことん遡って行けば 生命の仕組みだって量子力学に依存するはずさ」 そんな理屈では 何ごとにも当てはまってしまいます 無生物は何兆もの原子からなっています

究極的には 奇妙な現象を考えなければならない 量子のレベルにたどり着くことになります しかし 日常的な世界では 忘れても構いません なぜなら何兆という原子が一緒になると 量子的な奇妙さは 消し飛んでしまうからです でも量子生物学ではどうでしょうか 量子生物学はこの点について 明らかではありません もちろん 生命をある分子のレベルで見れば そこには量子力学の仕組みがあります 量子生物学とは 量子力学特有の 直観に反するような作用が 露わになっていないか もしくは 生物の各過程を説明する上で 実際に重要な役割を 果たしていないかを 探し求める学問です

量子の世界における 直観に反する概念を説明する 好例をお見せします 量子スキーヤーがいます 彼は全く正常で 完全に健康であるようです しかしながら木の両側を 同時に滑り抜けていくように見えます こんなシュプールを見たら きっと離れ技だと思うでしょう しかし こんなことが 量子の世界では始終起きています 粒子は同時に2か所に存在し 多重に振る舞うことが可能です 同時に2つ以上のことが できるのです 粒子は広がりのある 波のように振る舞うこともできます これはまるで魔法のようです

物理学者や化学者が この奇妙さを理解しようと ほぼ1世紀近く 努力してきました 生物学者が量子力学を鑑みず 学ぼうとしなかったことを 非難するつもりはありません

この奇妙な現象はとても繊細で 物理学者は 実験室でその状態を保つことに 多大な努力を払ってきました 装置を絶対零度近くに冷却し 真空状態で実験を行い 隔離して 外部からの影響を 受けないように試みます 生細胞の中の 暖かく 無秩序で ノイズの多い環境とはとても異なっています 生物学 ― 分子生物学について言えば 化学の言葉 つまり化学的な作用によって あらゆる生命の仕組みを とても上手く説明してきたと言えるでしょう それは 還元主義的で 決定論的な 化学反応論でした 生命も本質的には他の物と 同様な集合体であり 巨視的な世界では量子力学的な効果は 無視できるのだとすれば 生物学においても無視できるに 違いありません

しかし ここに異を唱えた人物がいます その人とは『シュレーディンガーの猫』で有名な オーストリアの物理学者 エルヴィン・シュレーディンガーです 彼は1920年代における 量子力学の創始者の一人です 1944年に『生命とは何か?』 という本を執筆しました とても影響力のある本であり DNAの2重らせん構造を発見した フランシス・クリックや ジェームズ・ワトソンも 影響を受けました この本で彼は次の様なことを 述べています 「分子のレベルにおいて生物は ある程度の秩序と構造を有している これは同程度の複雑さを持った 無生物における 原子や分子の 熱力学的な無秩序で 激しい動きとはとても異なっている」

事実 生物は 無生物が絶対零度近くに冷却され 量子力学的効果が 顕著になったときの様に 秩序や構造があるように 振る舞うように見えます 生細胞には構造 つまり 秩序があるという 特徴があるのです そこで シュレーディンガーは 量子力学が生物に 一定の役割を果たしていると推測したのです それは不確かで遠大な構想であり ほとんど発展を見ませんでした

しかし 最初にお話したように ここ十年において 量子力学による説明を必要とするような いくつもの生物学的な現象が 実験によって明らかになってきました

その中でも 特にワクワクするようなものを ご紹介したいと思います 量子力学の世界で 良く知られる現象の一つに 量子トンネル効果があります 左側の箱には電子のような粒子があり 量子力学的な性質によって 広がりをもった波として振舞っており 壁で跳ね返される小球とは異なっています この波はある一定の確率で 硬い壁を通り抜けることが出来ます まるで反対側へとすりぬける 幽霊のようです 右側の箱にちょっとした 光のしみが見えるでしょう 量子トンネル効果とは 粒子が通り抜け不可能な障害物に当たっても まるで魔法の様に なぜか 一方から消え 反対側に現れることです 分りやすい例をあげます 壁の反対側へとボールを投げる時 壁を越え得るような十分なエネルギーを 与えなければなりません しかし量子力学の世界では 壁の上を越えようとしなくてもよく ただ壁に向かって投げれば ゼロではないある確率で 一方から消え 反対側に現れるのです

これは憶測ではありません 我々量子物理学者はハッピーです いや “ハッピー”はまずいですね




量子トンネル効果は いつだって起きています 実際 太陽が輝いているのも そのお陰です 粒子の核融合反応において 太陽は量子トンネル効果によって 水素原子をヘリウム原子に変えます 70年代から80年代にかけて 量子トンネル効果が生細胞で起きていることが 発見されています 生命における働き者の酵素 ― これは化学反応における触媒のことで ― 生細胞における化学反応の速度を 何ケタも加速させる 生体分子です その仕組みは いつだって謎めいていますが

あることが発見されました 酵素がその働きを獲得した 1つのトリックは 電子や さらに陽子などの亜原子を 量子トンネル効果によって ある分子から別の分子へと 移動させることです それは効果的で すばやく 陽子は一方から消失し 反対側に再び現れます 酵素はこの現象を起こし易くします

このような研究は80年代に 特にバークレー校のジュディス・クリンマンが 率いるグループによって進められました 英国の別のグループが 酵素のこの現象を 再検証しています

私のチームも研究を進めていますが ― 先ほど申し上げたように 私は核物理学者ですが ― 原子核を探求するための 量子力学の手法を 他の分野にも応用できることに 気が付きました 1つの疑問は DNAの突然変異に量子トンネル効果が 関与しているのかということです これも新しいアイデアではなく 60年代前半に遡ります 2重らせん構造をもった 2本のDNAが 横木によって結び付ついています 捩じられた梯子のようです この梯子の横木に当たる部分が 水素結合であり 陽子が2本のひも状のDNAを 結びつける役割を果たしています もっと拡大してみてみると これらは大型の分子ヌクレオチドを 結びつけていることが分ります さらに拡大すると ― コンピュータによる シミュレーション画像ですが 中央にある2つの白いボールが 陽子(水素の原子核)を表しており 2対の水素結合がご覧になれます 2つの陽子がそれぞれ ここでは示されていない 縦に伸びた2つのひもの左右の 何れかに分かれて位置しようとします この2つの陽子が 飛び跳ねることがあります 2つの白いボールをご覧下さい それぞれが反対側に 飛び移ることが可能です この時 2本のDNAが分離し 複製が行われると 2つの陽子は誤った配置となり 突然変異が起こります

これは半世紀前から知られていたことです 疑問が生じます ― これはどの位の頻度で起こるのか そしてその仕組みは? ボールが壁を超えるときのように ジャンプするのか? それとも 量子トンネル効果のように 十分なエネルギーがなくても起こるのか? 初期の研究結果によると 量子トンネル効果が起きているようです その重要度については まだ理解が進んでおらず 未解決の問題です 推測の域にあります これは重要な未解決問題の一つであり 量子力学が突然変異に 関わっているとすれば 特定のタイプの突然変異を理解する上で とても重要な意味を持つことは確実です もしかすると 細胞のがん化を 引き起こしているのかもしれません

量子生物学における別の例は 量子コヒーレンスで 生物学において もっとも重要な過程の一つです 光合成によって 植物やバクテリアが太陽光を吸収し そのエネルギーを使って 生体を作り上げます 量子コヒーレンスとは 量子的なものが 同時に複数の振る舞いをすることです 量子スキーヤーのことです 物体が波のように振る舞うので どちらか一方向だけに動くのではなく 同時に複数の経路を通って 移動することができます

数年前にある実験結果を示す論文が 発表されたとき 学会は震撼しました バクテリア内部の光合成で 量子コヒーレンスが起きていることが 示されたのです こういうことです 太陽光としての 光子つまり光の粒子 もしくは 光の量子がクロロフィル分子によって 吸収され 反応中心と呼ばれる場所に 送り届けられ そこで化学エネルギーへと転じます そこに至るまでに 単一の経路を通るのではなく 同時に複数の経路を通ることによって 熱放散されることなく 最も効率の良い方法で 反応中心へとたどり着くのです 量子コヒーレンスが生物の細胞の中でも 起きているのです 素晴らしい考えです この現象が確かに起きていることを示す 新たな論文が提出されており ほぼ毎週のように証拠が 積み重ねられています

3つ目 これが最後の例になりますが 最も美しく素晴らしいアイデアです これも未だ推論の域にありますが 是非ともご紹介したいと思います ヨーロッパコマドリは毎秋 スカンジナビアから 地中海沿岸に渡ります 他の海に棲む動物 さらには昆虫と同じく 地球の磁場を感じながら 渡る方向を探ります とはいっても 地球の磁場は とてもとても微弱で 冷蔵庫の扉に張り付ける磁石の 100分の1程度です それでも生物の中で 化学的な作用を及ぼします これには疑いの余地がありません 事実 ドイツの鳥類学者 ウルフガング、ロズウィサ・ヴィルトシュコ夫妻は 1970年代に コマドリが何らかの方法で地球の磁場を 感じることにより 方角を知るのだということを確認しました まるで体内方位磁針のようです

これは謎めいていました その仕組みは? 知りうる限り 考えられる理論は一つです その正否は分りませんが 唯一考えられるのは 「量子もつれ」といわれる現象です コマドリの網膜の中には ― 冗談を言っている訳ではありません ― クリプトクロムという光に敏感に反応する タンパク質があります クリプトクロムの中で一対の電子が 量子もつれを起こしているのです 量子もつれとは 2つの粒子が遠く離れていても 何らかの方法で互いに影響を 及ぼしあうことで アインシュタインでさえも この考えを嫌い 「不気味な遠隔操作」と 言い放ちました


アインシュタインが気に入らぬことには 不安が残ります 単一の分子内の 量子もつれの状態にある2つの電子は 繊細なダンスを演じます 地球の磁場の影響下 鳥が飛行する方向に対し とても敏感に影響を受けます

これが正しい説明となるかは 定かではありませんが 量子力学的な作用が鳥の飛行に 一役買っているなんて凄いと思いませんか? 量子生物学はまだ揺籃期にあります まだ推測の域にあります それでも確固たる科学的な手法で 築き上げられていると信じています 今後十年程度の内に 量子力学的効果が生物内に 広く作用していて 生物はそのおかげで 進化したのだと 判明するものと私は考えています この分野にご注目ください



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