冯德培

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冯德培,生理学家、神经生物学家,中国神经肌肉生理学研究的开拓者,在肌肉和神经的能力学、神经肌肉接头生理学、神经与肌肉间营养性相互关系的研究方面取得了开创性的成果。在创建和领导中国科学院生理生化研究所、生理研究所,培养中国生理学人才,发展中国与国际生理学界的学术交流以及促进中国生理科学的发展等方面,做出了重要贡献

冯德培 - 生平概况

冯德培,1907年2月20日出生于浙江省临海县的一个小康之家,1922年考入复旦大学文科,翌年为新兴的行为心理学所吸引,转入心理学系。1925年,生理学家蔡翘等相继从美国回到复旦大学任教,心理学系扩大为生物学院,也拓宽了他对生物科学的学习范围。在生物学各学科中他对生理学最有兴趣,毕业后留校任助教,从此开始其毕生的生理学研究生涯。

1927年,复旦大学生物学院因学潮被解散,冯德培转入北京协和医学院生理系主任林可胜指导下学习和工作。先随张锡钧进行甲状腺分泌研究,但主要是随林可胜进行胃分泌的研究。在此期间,他通过听课和广泛地阅读各种书籍杂志,在生理学各方面获得了广阔的背景知识。1929年,考取清华大学公费留美,在芝加哥大学生理系R.W.杰拉德(Gerard)教授指导下进行神经代谢研究,因出色地完成了一项关于神经窒息机制的研究,于1930年获硕士学位。1930年秋,由林可胜推荐转入英国伦敦大学学院,从师著名生理学和生物物理学家、诺贝尔奖金获得者A.V.希尔(Hill),进行神经和肌肉产热的研究,1933年获博士学位。在此期间,他曾先后去剑桥大学和牛津大学等生理实验室短期工作,并参加英国生理学会和皇家学会的各种学术会议。1933年,按希尔建议,又去美国宾夕法尼亚大学约翰

逊基金医学物理学研究所进修一年,学习自制电子仪器,为创建自己的实验室作准备。在国外留学的5年间,他在神经肌肉生理学领域内做出了重要的研究成果,初步树立了他在国际学术界的地位,并与当时该领域著名的科学家有了广泛的接触。

1934年夏,冯德培回到北京协和医学院生理学系工作,专心致志要把神经肌肉生理学在中国建立和发展起来。经过一年余的筹备和探索,他成功地开辟了神经肌肉接头的新研究领域。在1936—1941年的6年间,在英文版的《中国生理学杂志》上接连发表了26篇文章,引起国内外同行的高度重视和赞誉,使他的实验室成为这个领域的一个国际注目的研究中心。1941年底,太平洋战争爆发,协和医学院关闭,他的研究工作被迫中断。1943年,他由北京辗转至重庆,先受聘为内迁的上海医学院生理系教授,后任中央研究院医学研究所筹备处研究员兼代主任。1945年底应英国文化协会(BritishCouncil)的邀请访问英国,1946年转赴美国,在纽约洛克菲勒医学研究所进行合作研究,同时为筹备中央研究院医学研究所采购仪器设备和搜集图书。1947年夏,回到已由重庆搬迁到上海的医学研究所筹备处。1948年当选为中央研究院院士。

中华人民共和国成立后,冯德培先后担任中国科学院生理生化研究所研究员兼所长,生理研究所研究员兼所长,名誉所长,华东分院及上海分院副院长,中国科学院副院长兼生物学部主任,国务院学位委员会委员,中国科学院学位委员会主任,中国生理学会理事长,名誉理事长,《生理学报》主编,英文版《中国生理科学杂志》名誉主编等职务。1955年被选聘为中国科学院学部委员。由于其杰出的学术成就,冯德培先后被选为英国伦敦大学学院院士,英国、加拿大、美国生理学会和美国神经科学会的荣誉会员,1986年当选为美国科学院外籍院士和第三世界科学院院士,1988年当选为印度国家科学院外籍院士。他还于1981年任美国加利福尼亚大学Regent访问教授,1984年任美国哥伦比亚大学医学中心LudwigSchaeferAward访问教授。他曾当选为第一、二、三届全国人民代表大会代表,第五、六、七届全国政协常委、第五届上海市政协副主席,上海市欧美同学会会长等职。

冯德培 - 学术成就

神经和肌肉的能力学

冯德培在英国伦敦大学学院希尔的实验室(1930—1933年)中主要是进行神经和肌肉的能力学研究。希尔是当时世界上一位杰出的生理学家和生物物理学家,以用非常灵敏的热电堆测量肌肉和神经活动时所释放的极微热而闻名于世。他的实验室有来自世界各国的研究人员。希尔根据林可胜的推荐表示接受当时才23岁的冯德培,他给冯的信是颇为别致的,信中简单地说:“你如果像林可胜教授说的那样好,来吧!”。冯德培于1930年9月进了希尔的实验室,开始做的研究课题是肌肉长时间强直收缩中的张力与产热的关系。他迅速地做完实验后,随即写出文章送给希尔。希尔看后对冯说:“你的英文比许多英国人写的还要好些”,认为无需修改就可送皇家学会会刊发表,并要冯德培单独署名。冯向希尔提出,这工作是由你建议并在你指导下做的,应该也署上你的名字。这引起希尔对冯说了一句意义深长的话:“你在这里如果只写这一篇文章,我的名字放不放上都是一样!”。此后,冯基本独立地完成了几项重要工作。首先,他在研究肌肉热弹性(thermoe-lasticproperty)时,意外地观察到静息肌肉被拉长时放热显著增加,远超出可能发生的热弹性物理变化。经过各种对照试验后,他判定放热增加反映了肌肉代谢升高。与此相应,他又证明静息肌肉被拉长时氧消耗也增加。冯德培把这个新发现称之为“拉长反应”(stretchresponse)。文章发表后第二年,此结果在德国著名生化学家迈尔霍夫(Meyerhof)实验室得到证实。波兰肌肉化学家巴纳斯(Parnas)在其对肌肉化学的评述中,把“拉长反应”称作“冯氏效应”(FengEffect)。后来的生理学文献即沿用这个名词。不久,冯德培以碘醋酸处理神经使之不能形成乳酸,观察到这种中毒的神经在无氧条件下丧失传导能力要比正常神经快得多;而在有氧条件下,在浸泡中毒神经的溶液中加乳酸钠可以显著地延长神经持续活动的时间。这些结果首次证明乳酸代谢在神经活动中也有重要作用,修正了前人对此问题的观点。接着,在希尔的建议和帮助下,他又与一位原苏联科学家一起去普里木斯(Plymouuth)海洋生物实验室对一种海水蟹的无髓鞘神经的放热进行系统的分析研究,所得结果由冯德培写成论文在英国生理学杂志发表。此外冯德培在希尔实验室还参加了其他4项研究工作。

在英国近3年的时间中,冯德培约二年半在希尔实验室工作。为了扩大他的研究限界,希尔主动替他安排去英国其他两个最著名的研究神经系统的实验室,即剑桥大学生理系的E.D.艾德里安(Adrian)实验室和牛津大学生理系的C.S.谢灵顿(Sherrington)实验室各工作了一两个月。冯德培在艾德里安实验室时间虽短,却也完成了一项有意义的研究工作。1932年下半年冯到这个实验室时,他们以前的研究工作正留下一个疑难问题,即在蛙的皮肤连神经标本上研究触觉反应,观察到皮肤表层因刮擦受伤使触觉反应消失,但经过一些时间后反应又恢复,原因不明。他们就把这个问题交给冯去解决。冯只花一星期时间就找到了答案,就是损伤使皮肤释放钾离子,神经末梢周围钾离子浓度增高,阻断神经传导,导致标本的触觉反应消失,但这是可逆的;如果钾离子浓度因弥散或用正常任氏溶液冲洗而回降,触觉反应即得以恢复。他如此快就找到答案,答案又如此简单,使艾德里安感到惊奇,他亲自动手重复冯的实验后才相信。冯德培所以能如此快地解决这个问题,是因为他知道在肌肉上有相似的现象,即损伤会使肌肉释放钾离子,导致肌肉暂时丧失兴奋性,若洗去多余的钾离子又可使肌肉恢复兴奋性。把这点背景知识应用到皮肤神经标本上去,问题就立刻解决了。

当他快要结束在希尔实验室工作的时候,希尔语重心长地对他说:“你在这里的大部分工作是你独立做的,但人家仍会认为你是在我指导下做的,你要回去开创自己的研究,世界同行才会承认你是真正的独立工作者。”回国后,德国《生理学成就》杂志曾邀请各国生理学权威按其主要研究成就撰写专题的综述文章,当时邀请希尔撰写关于神经代谢方面的文章,希尔却推荐由冯德培来写。他的《神经放热》一文1936年发表在该杂志后,被学术界认为是神经能力学方面的权威性参考文献。
神经肌肉接头生理学

从他开拓了神经肌肉接头的新研究领域后,1936—1941年他在这个领域发表了一系列文章,包含着许多新的实验结果,其中较重要的可以归结为下列几点。

(一)高频神经刺激引起的“接头抑制”及神经末梢周围局部收缩的发现。冯德培在关于神经肌肉接头的第一篇文章中描写了一个现象:在蛙的神经—缝匠肌标本上高频间接(通过神经)刺激能抑制直接刺激肌肉引起的收缩。这个现象起初无法解释,他直觉地断定,这个现象不会是孤立的,必然有其它相关的新现象等待着揭露。这个直觉激发了他对神经肌肉接头研究的热情,立即准备大干一番。进一步的实验果然揭露了一连串相关的新现象:1.高频神经刺激使神经末梢周围发生局部收缩,2.用毒扁豆碱(一种胆碱酯酶抑制剂)处理肌肉可使局部收缩显著地增大和延长,3.用箭毒(抗乙酰胆碱药物)处理肌肉则使局部收缩消失。当时神经肌肉传递的化学学说尚在建立过程中,传统的电学说还有影响。根据化学学说,上列的新现象自然地拼成为一幅逻辑的画图:高频刺激使神经末梢释放大量的乙酰胆碱,因而使神经末梢周围的肌纤维发生局部收缩;局部收缩阻碍肌纤维的兴奋传导,因此产生“接头抑制”;毒扁豆碱阻止乙酰胆碱的酶解,增加并延长其积聚,所以增强并延长局部收缩;箭毒拮抗乙酰胆碱,所以减小或取消局部收缩。相反,如依照电学说,则上列新现象都成为不可思议。很清楚,他的上述新发现给予当时还有争议的化学学说以直接的强有力的支持。

(二)从钙离子对神经肌肉接头的多种作用总结出钙离子增强神经末梢递质释放的假说。他通过实验揭示了提高任氏溶液中的钙离子浓度对神经肌肉接头有多种多样的作用:1.增强上面所说的高频神经刺激引起的“接头抑制”和局部收缩,2.减轻由多种不同药物和不同有害条件或因子产生的接头传递阻遏。为了给多种多样的作用以一个统一的解释,他提出提高钙离子浓度增强神经冲动在神经末梢引起的递质释放的假说。这假说首次把钙离子与化学突触的递质释放机制联系起来,是有预见性的。后来的研究证明在神经冲动引起神经末梢释放递质时,钙离子进入神经末梢是关键的一步。

(三)终板电位在强直刺激后的长时程易化或强化的发现。他是最早记录终板电位的人之一。关于神经肌肉接头传递的易化或强化现象,他以终板电位为指标做了许多观察,首先描述的强直刺激后的长时程强化现象特别引人注意,他的这方面工作是以后许多突触可塑性研究的先驱。

(四)在哺乳类动物神经肌肉接头研究上,首次揭示了毒扁豆碱类药物除了接头后作用外还有接头前作用。他在两栖类神经肌肉标本肯定了毒扁豆碱类药物使肌肉对单个神经刺激的反应增强是由于肌肉作重复反应之后,进而用猫神经肌肉标本作比较观察,出乎意料地发现了毒扁豆碱使哺乳类动物运动神经末梢产生自发的和受刺激后的重复发放。这个发现为各种药物对接头前运动神经末梢作用的研究揭开序幕,一些神经药理学家接着在这方面做了许多工作。

总结上述,从神经生理学的历史发展来看,冯德培的神经肌肉接头研究有两方面的重大意义:1.在30年代,突触的化学传递学说尚处于奠基时期。他的神经肌肉接头研究是这个学说的奠基性工作之一,并赋予这个学说以新的证据。2.在30年代,神经肌肉接头作为生理学、生物物理学的研究对象,基本上是一块“处女地”。他在自己的一个新实验观察的启发下,立即敏捷地作出决定,要持续地去开发它,是有远见的,他取得的丰富收获使他成为这个重要研究领域的公认的先驱者之一。现在,虽然神经肌肉接头已是被研究得最详细的一个化学突触,但尚须进一步深入研究的问题还很多,仍是一个活跃的研究领域。

30年代他在中国开始建立和发展神经肌肉生理学时,能有战略眼光很快地瞄准了神经肌肉接头这个进攻目标,全力以赴,这是与他那时在神经肌肉生理学已有广阔深厚的根基分不开的。当时他是“单枪匹马”,以一间无窗的地下室为实验室,运用很有限的仪器设备,在6年时间内获得那样丰硕的研究成果,显示了他的非凡毅力和实验才干。
神经肌肉间营养性关系
这是冯德培任中国科学院生理所所长时期带领工作者共同发展的一个主要研究方向。开始于1961年,“文化大革命”期间停顿,“文化大革命”后恢复。冯德培的神经肌肉营养性关系的研究,在一种意义上是他的神经肌肉接头研究的扩展和继续。神经肌肉接头作为一个化学突触的兴奋传递,是从运动神经末梢到肌纤维的单向的快速信息传递关系。此外,运动神经元与肌肉之间还有双向的、缓慢的长期性信息交流,表现为两者的正常结构和功能在发育中维持着相互依赖关系,总称为营养性关系。这种关系的重要性是显然的,许多肌肉病是由于这个关系发生破坏或障碍所致。在60年代初,神经肌肉接头的兴奋传递过程已经有相当多的研究,而关于神经与肌肉间的营养性关系的研究还很少。当“大跃进”时期的社会动荡过去,看来基础理论研究有可能恢复时,他就决定从过去从事的神经肌肉接头研究转入神经肌肉间营养性关系的研究,试图在这个有广阔发展前景的研究领域作新的开拓。

(一)鸡慢肌纤维去神经后肥大的发现。骨骼肌的神经支配如受到损伤或被切断,肌肉发生萎缩,这是肌肉维持其健康状态有赖于神经的一个明显例子。这个现象虽然是早已知道的,但到60年代初对它的发生机制还很少了解。他开辟神经肌肉营养性关系的研究就从这个现象开始试探,为此设计的第一个实验是比较两块收缩速度极不相同的肌肉,看它们在切断神经后发生萎缩的时程有何不同。在生物学实验中,所选用的生物材料是否适宜是实验成败的一个关键。鸡的背部有两块肌肉,受同一神经干支配,一块叫前背阔肌是纯粹的慢肌;另一块叫后背阔肌,是纯粹的快肌。这样一对肌肉正是做实验的理想材料,于是他就指示助手切断这两块肌肉的神经,一个月后观察这两块肌肉发生萎缩的情况是否不同。结果是惊人的:这两块肌肉并非萎缩程度不同,而是后背阔肌发生显著萎缩,而前背阔肌却发生显著肥大。当他的助手向他汇报这个结果时,他不禁惊呼:你或者犯了一个严重的错误,或者有了一个重要的发现!因为肌肉在其神经切断后发生肥大是从来没有的事。随后的重复试验和各种追踪试验充分证明了这确是一个发现。在开辟新研究中,第一个试探性实验就得到重要的发现是不多见的,可以说他和共同工作者在这里有好运气,却不能说他们的成功是偶然的。他们的进一步实验证明,去神经后肥大的现象并非前背阔肌这一块肌肉特有的,而是鸡的所有慢肌纤维所共有的。因为前背阔肌纯粹由慢肌纤维组成,去神经后肥大最易观察。鸡的许多别的肌肉都是混合肌,既有慢肌纤维,又有快肌纤维,他们也观察到去神经后前者肥大,后者萎缩。鸡慢肌纤维去神经后肥大的发现,随即在世界上其他实验室得到证实。切断神经后发生萎缩或发生肥大的肌纤维对在生物化学和分子生物学变化上作比较研究,可望大大有助于了解肌肉萎缩或肥大的产生机制。可惜这项研究因“文化大革命”而中断。

(二)双神经支配的肌纤维实验与首次证明不活动神经对肌纤维类型特征仍有改造能力。“文化大革命”后,冯德培开始研究神经肌肉间营养性关系中的另一个问题,即哺乳类动物骨骼肌纤维类型与其神经支配的关系问题。前人已证明,用外科手术使猫、兔或大白鼠的慢肌(比目鱼肌)与快肌(如伸趾长肌)交换其神经支配,能使慢肌的收缩变快,快肌的收缩变慢,肌肉类型的其它特征如结构和化学特征也发生相应的改造。这种结果表明神经支配对肌纤维类型有控制调节作用。对这种作用的产生有两种假说:1.快肌的运动神经元和慢肌的运动神经元有不同的冲动发放模式,决定着快肌和慢肌的不同活动模式。神经控制肌纤维类型就是通过控制肌纤维活动模式来实现的。这一假说已有实验支持,即以人工刺激改变肌肉的活动模式可以使肌肉类型发生改变。2.运动神经末梢可能通过释放某种或某些有特殊神经营养性作用的物质来控制调节肌肉类型特征。作这种设想是有许多理由的,但一直缺乏明确的实验依据。他试图设计新的试验为第二个假说寻找证据。他一开始想做的是一种能直接解决问题的实验,就是在长期保持神经不活动的条件下来进行快肌和慢肌的交叉神经实验。但他不知道如何才能做成功这样的实验,主要问题是他当时与别人一样有一个先入之见,即认为交叉神经支配后肌纤维的改造过程很慢,常需几个月,而当时还没有可靠地能那么长时间保持神经不活动的办法。于是,他先采用一条比较间接的研究路线,用大白鼠的比目鱼肌(慢肌)和伸趾长肌(快肌),制造兼有慢肌神经和快肌神经双重支配的比目鱼肌纤维或伸趾长肌纤维(简称双神经支配的肌纤维,制造这种肌纤维标本的技术当时已经建立)。他提出这样的问题:肌纤维类型特征受神经控制,那么,这双神经支配的肌纤维的类型特征将是怎样的呢?他选用Z带宽度和三磷酸腺苷组织化学染色特性作为肌纤维类型的两个指标。实验回答是:在双神经支配的伸趾长肌纤维,两个类型指标都变成与比目鱼肌类型相似,而在双神经支配的比目鱼肌纤维,则原来的比目鱼肌类型特征保持不变。要特别指出的是,不论在双神经支配下肌纤维类型特征变或不变,整根纤维的Z带宽度或三磷酸腺苷染色是均一的。这一结果用上述第一个假说容易解释,因为肌肉收缩不论是快或慢都是传播于整根纤维的,由肌肉活动导致的变化在整根纤维应该是均一的;用第二个假说则很难理解。因此,双神经支配实验的结果是倾向于支持第一个假说的。但是,他们的研究工作不久后有一个非常重要的转折点。在进行双神经支配实验中,一位共同工作者看到在用比目鱼肌神经交叉支配伸趾长肌,在两星期内伸趾长肌纤维的Z带宽度就明显地变得更宽,即已几乎完全被改造为慢肌型。冯德培得知后立刻觉到,他原先认为不可能做的实验现在可以做了,因为保持神经不活动至两星期之久

是不难的。他随即设计了在河豚毒慢性阻断神经传导的条件下进行比目鱼肌神经交叉支配伸趾长肌的实验。结果是,这样完全不活动的慢肌神经仍能改造快肌的Z带宽度,虽然改造程度不如正常慢肌神经。这一结果首次证明不活动的神经对肌纤维类型特征仍能产生一定的控制作用,也就是说,操纵肌肉活动的模式不是神经控制肌纤维类型特征的唯一途径;尚有另一个可能的途径,通过神经末梢释放某种特殊的神经营养性物质。应该指出,两个可能的途径不是相互排斥的,而是相互补充的。

1981年,在得到上述实验结果后不久,他有机会访问英国,应邀在其母校伦敦大学学院为他安排的一个讨论会上讲了他在河豚毒慢性阻断神经传导条件下做的交叉神经实验。听众中有当时的皇家学会会长安德鲁赫胥黎(AndrewHuxley),会后他与冯德培说:“为什么这个实验世界上别人没有做而你做了?啊,这是由于你隔离在中国!”“隔离”一般地说不是好事,但有时候却可以使人在某个范围内更有成效地按照自己的思路发展自己的实验。他的研究生涯为此提供了耐人寻味的例证。这项研究工作,1986年他应邀在第30届国际生理学大会上作了系统的介绍。

冯德培从学生时代起在他从事的每一项研究中都留下了他开创性的特殊足迹。英国伦敦大学学院院长在授予他该院院士荣誉称号的仪式上致词说:“他是希尔最卓越、最富有创造性的学生之一;……他回到中国后继续开创了富有成绩的研究生涯”。他所具有的杰出的创造性和想象力,与对科学的献身精神和坚强毅力的结合是他在科学上取得卓越成绩的重要原因。

冯德培 - 组织才能

与其科学成就互相辉映的是他的崇高的爱国主义精神。青年时代的冯德培虽在国外已卓有成绩,但却毅然回国艰苦创业。他说:“一个有理想、有抱负的中国科学家,如不愿意寄人篱下,要自己创业,英雄用武之地在中国”。多年来,他身体力行,为生理学研究在中国的土地上扎根、发展,坚持不懈地努力,进行有效的学术领导和科学组织工作。

但科学事业在中华人民共和国成立前不可能有大的发展。1944年开始筹备中央研究院医学研究所,至1949年总人数不过二三十人。中华人民共和国成立后,他负责的中央研究院医学研究所筹备处于1950年改建为中国科学院生理生化研究所,他任所长,由此开始了他在我国努力发展生理科学的新时期。他起初和生物化学家王应睐,以后和1956年回国的神经生理学家张香桐等一起做了大量的艰苦创业工作,使我国生理科学取得可观的发展。中国科学院生理生化研究所先于1958年分为生理和生化两个独立的研究所,1980年又有脑研究所从生理所分出,现在这三个所的总人数超过一千人。他在生理所长期担任领导工作,一贯强调基础理论研究必须以国际标准来衡量,上海生理所一直是一个享有国际声誉的研究所。

作为国际著名的科学家,冯德培曾先后多次访问过美国、英国、加拿大、苏联、匈牙利、联邦德国、日本、捷克斯洛伐克、芬兰、比利时、瑞士、澳大利亚、南斯拉夫、法国、香港等许多国家和地区,并出国参加过各种国际学术会议,也接待过许多国家的来访者,利用他在国际生理学界的声誉和影响,积极推进了中国与各国的学术交流和友谊。直到去逝前他仍经常接待国外来访者。他已连任三届国际生理科学联合会理事。

冯德培在中国生理科学方面的多方面工作,为中国生理科学的发展作出了不可磨灭的贡献。

他为人坦率正直,不但在科学问题上敢于争鸣,阐明自己认为正确的观点,而且在涉及与政治有关的问题时,也不考虑个人得失,勇于坚持真理。1958年“大跃进”时,他抵制浮夸风,不讲假话,不怕被人说成“右倾”,针对当时一些违反科学的说法和做法,提出应该“规规矩矩办科学,稳扎稳打大跃进”。在“文化大革命”中他虽身处逆境,遭受迫害,但坚持原则,实事求是,光明磊落,经受住了考验,因而受到广大群众的高度赞扬和敬佩。

冯德培 - 人物简历

1907年2月20日 出生于浙江省临海县。
1922—1926年 复旦大学生物学专业学习,获理学学士学位。
1926—1927年 任复旦大学生物学专业助教。
1927—1929年 协和医学院生理学系研究生。
1929—1930年 美国芝加哥大学生理学系学习,获硕士学位。
1930—1933年 英国伦敦大学学院生理学系学习,获博士学位。
1934—1941年 任协和医学院生理学系讲师、副教授。
1943—1944年 任上海医学院生理学系教授。
1944—1949年 任中央研究院医学研究所筹备处代理主任。
1950—1958年 任中国科学院生理生化研究所研究员、所长。
1958—1984年 任中国科学院生理研究所研究员、所长。
1981—1984年 任中国科学院副院长、生物学部主任。
1984—1994年 中国科学院生理研究所研究员、名誉所长。
1995年4月10日 病逝于上海。

冯德培 -  参考资料

http://www.med8th.com/academician/FengDepei/default.htm
http://www.ihns.ac.cn/members/raoyi/ryp19.htm
http://soft.psych.gov.cn/2008/suqian/article/print.asp?id=157

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