引言 
 
在納米技術(shù)所允諾的成果中，微型機(jī)械總是非常引人注目。它們的吸引力是直截了當(dāng)?shù)�。大的機(jī)械——飛機(jī)、潛艇、焊接機(jī)器人、烤面包機(jī)——毫無疑問是非常常用的。如果有人帶著設(shè)計這些機(jī)械的理念去設(shè)計尺寸非常小的裝置，又有誰知道它們能干什么呢？想象一下兩種微型機(jī)械——一種和已有的機(jī)械類似，另一種則是全新的——它們已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。前者是一個納米尺度的潛艇，尺度僅有數(shù)十億分之一米——這大約是數(shù)十個或者數(shù)百個原子的長度，這種機(jī)器盡管存在著爭議，然而可以應(yīng)用在醫(yī)學(xué)方面，它可以在血液中穿行，尋找患病的細(xì)胞然后殺死它們。

　　第二種機(jī)械——所謂的裝配工——是一個更加激進(jìn)的主意，它是由未來學(xué)家K. Reic Drexler提出的。這種機(jī)器沒有與宏觀物體的相似性（這是考慮其最終實(shí)用性的非常重要的一個事實(shí)）。它將是一種新型的機(jī)械——一種萬用制造者。它可以制造任何結(jié)構(gòu)，包括它自身，通過原子尺度的“抓取和放置”：一套納米尺度的鉗子將會從環(huán)境中抓取單個原子，然后把它放在適當(dāng)?shù)奈恢�。Drexler的設(shè)想預(yù)示著社會將因?yàn)槲⑿蜋C(jī)械而永遠(yuǎn)改變，這些機(jī)械可以在幾個小時內(nèi)制造一臺電視機(jī)或者一臺電腦，而根本不花一分錢。然而它也有危險的一面。裝配工自我復(fù)制的潛力導(dǎo)致了所謂的“灰色粘質(zhì)”產(chǎn)生的可能性：無數(shù)的自我復(fù)制納米裝配工制造了無數(shù)它們自身的復(fù)制品，這個過程毀滅了地球。

　　納米尺度機(jī)械的主意有道理嗎？它們能被制造出來嗎？如果可以，較之較大尺度的“表兄弟”，它們能夠被有效的縮小嗎？或者它們是否通過不同的法則運(yùn)轉(zhuǎn)？事實(shí)上，它們是否會毀滅地球？

　　在我們回答這些令人感興趣的問題的時候，我們還要問一個更普通的問題：什么是機(jī)械？在許多的定義中，我認(rèn)為機(jī)械是一個“執(zhí)行任務(wù)的裝置”。更進(jìn)一步，一個機(jī)械有一個設(shè)計；它是由以下的過程所創(chuàng)立的：它使用動力；它依靠自身被制造出來時所包含的信息而運(yùn)作；盡管機(jī)械通常被認(rèn)為是人類設(shè)計和意圖的產(chǎn)物，為什么一個具有一種功能的復(fù)雜的分子系統(tǒng)不可以被稱作一個機(jī)械，即便它是進(jìn)化，而不是設(shè)計的產(chǎn)物？

　　撇開目的論的觀點(diǎn)，如果接受這個更廣泛的定義，納米尺度的機(jī)械已經(jīng)存在，以功能分子組件的形式存在于活的細(xì)胞當(dāng)中——諸如蛋白質(zhì)或者RNA分子（它們也是分子的集合）和細(xì)胞器（小的“器官”）——具有巨大的多樣性和復(fù)雜程度。這個關(guān)于納米尺度機(jī)械是否存在的問題，在若干年前生物學(xué)家已經(jīng)做出的肯定的回答�，F(xiàn)在問題是：未來納米機(jī)械最有趣的設(shè)計是什么？它們會帶來風(fēng)險嗎？

　　細(xì)胞有一些與人類尺度機(jī)械相類似的分子機(jī)械：細(xì)菌細(xì)胞膜上的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動著它的軸，從外表看來它類似于一個電動機(jī)。另外一些（分子機(jī)械）勉強(qiáng)類似于我們所熟知的機(jī)械：一個RNA和蛋白質(zhì)的組合——核糖體——如同工廠流水線一般制造蛋白質(zhì)。一些分子機(jī)械與宏觀的機(jī)械沒有明顯的相似性：一種蛋白質(zhì)——拓?fù)洚悩?gòu)酶——可以解旋纏繞在一起的雙股DNA。這些細(xì)胞器在細(xì)胞中的制造過程——一種高效的大分子合成，包含分子的自我裝配——可以作為經(jīng)濟(jì)和組織的模型，它完全不像裝配工所暗示的那種毫無理性的方式。

　　至于毀滅地球：就某種意義來說，生物細(xì)胞的集合已經(jīng)破壞了地球。在生命出現(xiàn)之前，地球與今天的樣子完全不同。它的表面覆蓋著無機(jī)礦石；它的大氣富含二氧化碳。生命迅速而徹底的改變了這個星球：它用微生物污染了原始的地表，植物和有機(jī)物就來源于它們。它從大氣中驅(qū)除了二氧化碳，注入了大量的氧氣。這是一個全面而徹底的變化。細(xì)胞——分子納米機(jī)械自我復(fù)制的集合——徹底改變了我們的行星的表面和大氣。我們通常不認(rèn)為這種轉(zhuǎn)變“毀壞了星球”，因?yàn)槲覀兙褪窃谶@個環(huán)境中發(fā)展起來的，但是一個外部的觀察者可能有不同的看法。

　　因此問題的關(guān)鍵不在于納米尺度的機(jī)器能否存在——它們已經(jīng)存在了——或者它們是否重要——我們通常把自己作為它們十分重要的一個范例——問題的關(guān)鍵在于我們可以從哪里獲得設(shè)計的新思想。我們應(yīng)該考慮通用汽車的裝配線或者一個大腸桿菌細(xì)胞的內(nèi)部嗎？讓我們從比較生物納米機(jī)械——特別是終極自我復(fù)制生物系統(tǒng)，亦即細(xì)胞——和納米尺度的機(jī)械模型，這些機(jī)械是由我們身邊大的機(jī)械縮小而成的。生物策略如何工作，它與基于制造宏觀機(jī)械的納米尺度版本的策略，或者裝配工所暗示的新策略，相比較又如何？
 
分子復(fù)制機(jī)

細(xì)胞具有自我復(fù)制結(jié)構(gòu)。它從環(huán)境中獲得分子，一些分子作為它能量的來源，另外一些分子被再加工成了用來制造、修理、移動和自我防御的零件。DNA儲存著裝配和操作所必需的信息，一代一代的傳下去。一種RNA（信使RNA，mRNA）充當(dāng)了信息的臨時腳本，“告訴”核糖體制造哪種蛋白質(zhì)。膜為工作部分提供了隔間，包含控制分子進(jìn)出細(xì)胞流量的入口，控制著感知細(xì)胞環(huán)境的分子。蛋白質(zhì)（通常與其它分子共同作用）構(gòu)成了細(xì)胞內(nèi)的一切，并在必要的時候移動它的部件。

　　細(xì)胞所采取的制造它自身零件的策略——從而復(fù)制和修復(fù)它自身——是基于兩個思想。第一個是，使用單一的、概念化的直接化學(xué)過程——聚合——去制造大的、直線型的分子。第二個是制造自身本能的折疊成為具有功能的三維結(jié)構(gòu)的分子。這兩部分策略不需要一個困難和復(fù)雜的三維“抓取和放置”裝配過程：它僅僅把珠子（例如氨基酸）串成項鏈（多肽），并且使項鏈自我裝配成一臺機(jī)器（蛋白質(zhì)）。這樣，最終的功能三維結(jié)構(gòu)的信息變成了珠子順序的編碼。細(xì)胞中最重要的三類分子——DNA、RNA和蛋白質(zhì)——全都是基于此策略而制造出來的；蛋白質(zhì)隨后制造出細(xì)胞中的其他分子。在許多實(shí)際情況下，蛋白質(zhì)自然的和其他分子——蛋白質(zhì)、核酸、小分子——聯(lián)合起來形成更大的功能結(jié)構(gòu)。作為一個制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的策略，這種在不同分子自我裝配水平上的直線合成方式具有無與倫比的效率。

　　細(xì)胞在本質(zhì)上是催化劑（促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的分子，但是它本身不會被消耗）和其他功能種類——感受器，結(jié)構(gòu)元素、泵和馬達(dá)的集合。細(xì)胞中的絕大多數(shù)納米機(jī)械根本上是分子催化劑。這些催化劑執(zhí)行細(xì)胞的大多數(shù)工作。它們制造脂類（例如脂肪），脂類依次自我聚集成圍繞細(xì)胞的薄層；它們制造自我復(fù)制所必需的分子組件；它們產(chǎn)生細(xì)胞所需的能量，并控制它的能量消耗。它們建立檔案和工作信息紀(jì)錄；它們通過適當(dāng)?shù)牟僮鲄?shù)修復(fù)內(nèi)環(huán)境。

　　在這些細(xì)胞“雇用”的不可思議的分子機(jī)械中，存在四座寶藏。核糖體（由核糖體RNA，即rRNA構(gòu)成）是一個關(guān)鍵：它處在信息和操作的結(jié)合點(diǎn)——在核酸和蛋白質(zhì)之間。它是一個格外復(fù)雜的機(jī)械，它從mRNA得到信息用以制造蛋白質(zhì)。

　　葉綠體存在于植物細(xì)胞和藻類中，它擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，內(nèi)含作為光學(xué)天線的分子陣列，它收集來自陽光的光子，把它們轉(zhuǎn)化成為可以儲存在細(xì)胞內(nèi)部供許多操作使用的化學(xué)“燃料”。順便說一句，葉綠體也從水中分解出氧氣，從而在生命剛剛出現(xiàn)的時候“污染”了大氣：我們賴以生存的原料竟然來自于細(xì)胞光合作用產(chǎn)生的廢料！

　　線粒體是發(fā)電廠：它進(jìn)行受控的有機(jī)分子燃燒，這些分子存在于細(xì)胞內(nèi)——通常是葡萄糖——并且為系統(tǒng)產(chǎn)生能量。與（發(fā)電機(jī)）驅(qū)動導(dǎo)線中的電子從而使電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不同的是，它產(chǎn)生ATP分子，ATP分子通過擴(kuò)散作用運(yùn)動到細(xì)胞的各個部分。ATP是很多生化反應(yīng)基本的能量提供者。

　　細(xì)菌的鞭毛馬達(dá)是一個專用的，但是特別有趣的納米機(jī)械，因?yàn)樗雌饋砗芟褚粋�人類尺度的馬達(dá)。鞭毛馬達(dá)是一個高度結(jié)構(gòu)化的蛋白質(zhì)集合，被固定在許多細(xì)菌的細(xì)胞膜上。它能提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)動鞭毛——長鞭狀的結(jié)構(gòu)，作為細(xì)胞的螺旋槳推進(jìn)器使它們在水中前進(jìn)。它有軸，就像一臺電動機(jī)。環(huán)繞軸的結(jié)構(gòu)如同電動機(jī)的電樞。鞭毛和電動機(jī)的類似之處在很大程度上是虛假的。鞭毛馬達(dá)不通過電流產(chǎn)生磁場而運(yùn)動，而是使用ATP的分解導(dǎo)致分子形狀的變化（它們包含了精巧的分子棘輪結(jié)構(gòu)），從而驅(qū)動蛋白質(zhì)軸轉(zhuǎn)動。

仿照人類尺度機(jī)械的納米機(jī)械
 
　　我們能夠通過制造我們所發(fā)明的大機(jī)械的微型“表兄弟”，而達(dá)到細(xì)胞納米機(jī)械那樣一流的效率嗎？微加工已經(jīng)成為了一項相當(dāng)成功的技術(shù)，它用以制造微型電子器件——晶體管和芯片其他的組成部分。將這些技術(shù)應(yīng)用于具有可移動部分的簡單機(jī)械——機(jī)械振蕩器和可移動反射鏡陣列——在技術(shù)上是成功的。所謂的微機(jī)電系統(tǒng)（micro electro mechanical system, MEMS）的發(fā)展非常迅速。但是這些機(jī)械的功能還相當(dāng)簡單，它們是微小機(jī)械，不是納米級的機(jī)械。第一個真正的納米尺度MEMS（NEMS，納米機(jī)電系統(tǒng)）僅僅在過去幾年中才出現(xiàn)，并且只是實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的。

　　很多有趣的難題困擾著帶有活動部分的納米器件的裝配。一個至關(guān)重要的問題是摩擦和粘性（在談?wù)撐⑿推骷臅r候我們使用“粘著"這個縮寫詞 ）因?yàn)槲⑿推骷砻娣e比率更大。表面效應(yīng)——好的和壞的——變得比宏觀器件更加重要。如果值得做，這樣的問題最終會被解決，但是現(xiàn)在它帶給人們的是困難的技術(shù)挑戰(zhàn)。毫無疑問，我們將會發(fā)展出更復(fù)雜的納米機(jī)械以及類似人類尺度機(jī)械的納米機(jī)械模型，但是在我們制造出適合任何實(shí)際用途的納米器件之前，還有很長的一段路要走。也沒有任何理由認(rèn)為納米機(jī)械一定要和人類尺度機(jī)械相似。

　　這些系統(tǒng)能不能自我復(fù)制？目前，我們還不知道如何制造可以自我復(fù)制的機(jī)器，無論是任何尺度或者任何類型。根據(jù)最近的生物研究，我們知道了關(guān)于一個活的細(xì)胞最低水平的復(fù)雜程度，這個細(xì)胞可以維持自我復(fù)制：一個有300個基因的系統(tǒng)足以進(jìn)行自我扶植。我們還不清楚如何把這一數(shù)字轉(zhuǎn)化成為我們熟悉的那種機(jī)械，也不清楚如何設(shè)計一個自我維持的自我復(fù)制機(jī)械。我們僅僅向自我復(fù)制的納米機(jī)械邁出了第一步。（參見Go Forth and Replicate，作者M(jìn)oshe Sipper 和 James A. Reggia，科學(xué)美國人8月號）

　　另一個問題更加棘手。哪里可以找到供納米機(jī)械使用的動力？沒有納米尺度的電源插座。細(xì)胞使用特定的化合物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)提供動力；納米尺度機(jī)械相應(yīng)的策略尚待發(fā)展。能夠自我復(fù)制的納米機(jī)械如何貯存和使用信息？生物的策略是基于DNA的，它運(yùn)行的很好，然而如果想使用一個不同的策略，我們就不清楚如何入手了。

　　有“抓取和放置”鉗子的裝配工消除了裝配納米機(jī)械的困難，也通過忽略消除了自我復(fù)制的困難：假設(shè)有一臺機(jī)器能夠消除令人煩惱的裝配方面的問題，它能夠通過一個一個的放置原子從而合成物質(zhì)和建造任何結(jié)構(gòu)。然而，在化學(xué)家來看，裝配工似乎是行不通的。讓我們考慮兩個約束條件。

　　第一個是鉗子，或者叫做裝配工的爪子。如果它們能夠靈巧的抓取原子，那么它們就要比原子還小。但是爪子只能是用原子構(gòu)成的，而且要比它們“抓取和放置”的原子還要大。（想象一下用你的手指制造一塊精致的手表，而不借助任何工具）。第二個是原子的本性。原子，特別是碳原子，與相鄰的碳原子緊密的結(jié)合。當(dāng)從某處拿走一個原子的時候需要能量（能量提供的問題），而把它安放的時候又會放出能量（冷卻問題）更重要的是，一個碳原子幾乎能與任何東西結(jié)合。很難想象什么樣的裝配工的鉗子從原料中取出原子的時候不會被粘住。（相像一下用從另一只手表上拆下的零件裝配你的手表，這些零件全都涂上了一層粘糊糊的膠水：如果你試圖把零件分開，它們就會粘到你的手指上。）

　　如果我們能制造一臺納米潛艇，它能工作嗎？一個人類尺度的潛艇可以在水中自如的運(yùn)動，依靠的是螺旋槳推進(jìn)器——旋轉(zhuǎn)的螺旋槳把水推向后方從而使?jié)撏斑M(jìn)——和控制方向的舵。會游泳的細(xì)菌使用鞭毛結(jié)構(gòu)，鞭毛看起來就像柔軟的螺旋或者鞭子，但是能夠起到類似于螺旋槳的功能。

　　水分子將會比納米潛艇小，但是不會小的太多，并且在納米尺度上它們的熱運(yùn)動是十分迅速的。碰撞使一個納米尺度的物體迅速的反彈（這個過程被稱作布朗運(yùn)動），但是方向是隨機(jī)的：任何控制運(yùn)動方向的企圖將會被迅速運(yùn)動的水分子無情的碰撞所粉碎。納米尺度的航海家需要適應(yīng)布朗運(yùn)動的風(fēng)暴，這風(fēng)暴可能撞毀他的船體。對于大約100納米的船，大多數(shù)航行的目的都要聽天由命，因?yàn)樾〈瑤缀鯚o法掌舵，在某種意義上如同納米潛艇。血流中的細(xì)胞——質(zhì)量比納米潛艇大10到100倍——不能控制自己的方向：它們僅僅是在血流中翻斤斗。一個納米潛艇至多有希望選擇一條大致的方向，但不會有特定的目的地。不管人們是否可以制造或者控制納米器件，它們都不適于探測疾病這種復(fù)雜的工作。

　　用“微型潛艇”探測和消滅體內(nèi)患病細(xì)胞——諸如癌細(xì)胞——的部分策略應(yīng)該著眼于尋找獵物。為了這個目的，它們可能不得不模仿在我們體內(nèi)運(yùn)作的免疫系統(tǒng)的樣子。對于“正�！奔�(xì)胞、病原體細(xì)胞和癌細(xì)胞的識別是一個復(fù)雜的過程，這需要一整套免疫系統(tǒng)，包括組成它的數(shù)以十億計的專門細(xì)胞。癌細(xì)胞表面并沒有標(biāo)志表明它們是危險的。在癌細(xì)胞的許多特征中，它們和正常細(xì)胞沒有太大的區(qū)別。充當(dāng)癌細(xì)胞獵殺者的微型潛艇需要攜帶一套小小診斷實(shí)驗(yàn)室，因此實(shí)驗(yàn)室需要采樣設(shè)備、試劑、反應(yīng)容器和分析設(shè)備，它們的體積不會很小。操作這些設(shè)備同樣需要能量。免疫系統(tǒng)的細(xì)胞使用與其他細(xì)胞相同的營養(yǎng)；微型潛艇也不得不這樣做。
 
超越設(shè)計的進(jìn)化
 
　　微型機(jī)械最終將被制造出來，但是制造它們的策略以及它們的用途，仍然還在設(shè)計中。生物學(xué)提供了一套超群的范例：在生物系統(tǒng)中，納米機(jī)械確實(shí)存在，并且它們履行著格外復(fù)雜的功能。令人驚奇的是，在這些納米機(jī)械中應(yīng)用的策略和人類尺度機(jī)械中應(yīng)用的策略是如此的不同。

　　再考慮如何制造納米機(jī)械的時候，我們遇到了兩條限制條件。第一個是考慮已有的納米機(jī)械——存在與細(xì)胞中的——并且研究它們。我們毫無疑問可以從這些系統(tǒng)中得到概念和原理，從而能夠制造出許多為我所用的納米機(jī)械，以及具有嶄新功能的納米機(jī)械。遺傳工程正在沿這條路前進(jìn)。新型化學(xué)的發(fā)展或許使我們能夠在沒有蛋白質(zhì)和核酸的分子系統(tǒng)中使用生物學(xué)的法則。

　　第二是從零開始獨(dú)立發(fā)展全新類型的納米系統(tǒng)。生物學(xué)為功能納米機(jī)械的制作和合成提供了一條實(shí)用的方法，我們沒有理由相信不會存在別的方法。但是這條道路將會非常艱難�？纯次覀兩磉叺臋C(jī)械，使用通常的方法制造它們的納米版本，一般是不實(shí)際的，甚至在某些情況中是不可行的。在納米尺度上無法加工和焊接。更不用說在液體中直線運(yùn)動或者用電磁鐵產(chǎn)生磁場。用來制造電子器件的設(shè)備當(dāng)然可以制造一些機(jī)械納米器件，然而他們的用途將受到限制。

　　裝配工的夢想有著誘人的吸引力，它似乎可以解決一切困難。但是吸引力是虛幻的：它更像一個吸引人的寓言而不是現(xiàn)實(shí)，與其等它解決問題，還不如期待奇跡出現(xiàn)�？紤]到許多建造和操作納米機(jī)械的限制，似乎用于制造它們的新體系可能最終看起來更像舊的生物學(xué)體系。這將是一個令人吃驚的挑戰(zhàn)，即我們是否能夠超越進(jìn)化的設(shè)計。模擬最簡單的細(xì)胞將是令人驚愕的成就。

　　生物納米機(jī)械是盡頭嗎？它們是已有的最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)嗎？進(jìn)化是否在所有的可能性中選出了最優(yōu)的？對這個問題我們還有沒通常的答案。哈佛大學(xué)的Jeremy R. Knowles斷定，一種酶——磷酸丙糖異構(gòu)酶，或者說TIM，是“完美”的：這意味著，沒有任何其他的催化劑對于特定的化學(xué)反應(yīng)比這種酶更有效。對于大多數(shù)酶，以及比酶還要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，我們還沒有找到替代物。

　　生物結(jié)構(gòu)在水中運(yùn)作，絕大多數(shù)的工作處于很狹窄的溫度和鹽濃度范圍。它們通常不導(dǎo)電（盡管諸如葉綠體和線粒體會搬運(yùn)周圍的電子）。它們不能執(zhí)行二進(jìn)制的計算和通信。它們不是機(jī)械，因此，如果納米機(jī)械要適應(yīng)納米生物環(huán)境，必須發(fā)明出很多功能。

　　那么我們能從灰色粘質(zhì)導(dǎo)致的世界末日中學(xué)到什么呢？如果風(fēng)險來自于納米機(jī)械，那全是因?yàn)樽晕覐?fù)制的能力。為了自我復(fù)制，一個系統(tǒng)必須包含自我復(fù)制所需要的全部信息，并且從環(huán)境中收集用以獲得能量和裝配（復(fù)制品）的原料。它還要能夠加工和裝配（或者允許裝配）制造一個復(fù)制品所需的全部零件。生物學(xué)解決了所有這些問題，并且自我復(fù)制的生物系統(tǒng)——從致病細(xì)菌到癌細(xì)胞——對我們是一種危險。在計算機(jī)系統(tǒng)中，自我復(fù)制的比特串（計算機(jī)病毒），盡管不是物質(zhì)實(shí)體，至少也有害，但是它對我們僅僅是間接的危險。

　　如果一個新的系統(tǒng)——任何系統(tǒng)——能夠利用環(huán)境中的原料復(fù)制自我，它將會成為人們擔(dān)心的理由。但是我們現(xiàn)在已經(jīng)通過復(fù)制納米生物系統(tǒng)得知我們能實(shí)現(xiàn)什么。在我看來，使用裝配工進(jìn)行裝配并不是一個可行的策略，因此也不必?fù)?dān)心。在可以預(yù)見的未來，我們不必害怕灰色粘質(zhì)。如果強(qiáng)大的自我復(fù)制微（或者納米）結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)生了，它們將可能與像原始細(xì)菌那樣的化學(xué)系統(tǒng)同樣復(fù)雜。任何這樣的系統(tǒng)將是令人難以置信的成就和讓人仔細(xì)評估的理由。任何威脅將不會來自于失控的裝配工，而是來自于不可思議的自我催化反應(yīng)系統(tǒng)。

　　因此，生物學(xué)和化學(xué)而不是機(jī)械工程學(xué)的教科書，指出了我們所尋求的答案所在的方向——并且這也表明我們關(guān)于生物體和失控的自我復(fù)制器件的擔(dān)心是非常正當(dāng)?shù)�。在考慮自我復(fù)制系統(tǒng)以及“活”的系統(tǒng)時，我們應(yīng)該從生物學(xué)開始，生物學(xué)提供了在高度復(fù)雜性上成功的豐富的設(shè)計和策略。在解決一個難題的時候，拜倒在一個熟練的師傅的腳下學(xué)習(xí)是明智的，哪怕它們是鞭毛，不是腳。

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