Prüfungskomplex Sinnes- und Nervensystem: Eine umfassende Betrachtung der Reizverarbeitung

Die Biologie-Abiturprüfung im mündlichen Teil fordert ein tiefes Verständnis der Reizaufnahme und -verarbeitung im Nervensystem. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte dieses komplexen Themas, von der Codierung von Geruchsstoffsignalen bis hin zur Reiz-Reaktions-Kette, und bietet somit eine umfassende Vorbereitung für Schüler und Studierende.

Reizaufnahme und Reizverarbeitung im Nervensystem

Die Mündliche Prüfung Biologie Abitur Beispielaufgaben behandeln die Reizaufnahme und Reizverarbeitung im Nervensystem. Die Aufgaben umfassen die Beschreibung von Sinneszellen und Nervenzellen, die Skizzierung von Potenzialen bei verschiedenen Geruchsstoffkonzentrationen und die Entwicklung von Hypothesen zur Wahrnehmung vielfältiger Gerüche trotz einer begrenzten Anzahl von Rezeptoren.

Die Rolle der Sinneszellen

Die Sinneszellen der Sinnesorgane sind für die Wahrnehmung der Reize zuständig. Dabei nimmt jedes Sinnesorgan ganz bestimmte und unterschiedliche Reize auf.

Ein Reiz, auch als Stimulus bezeichnet, ist eine Größe physikalischer oder chemischer Natur der Umwelt oder des Körperinneren, die auf lebende Systeme einwirkt. In der Regel werden Reize dort durch Sinneszellen integriert und wahrgenommen. Eine Sinneszelle nimmt als Rezeptor den Stimulus auf, setzt diesen in ein chemisches oder direkt in elektrisches Signal um, welches dann als Aktionspotential im Nervensystem weiterverarbeitet wird.

Man unterscheidet zwischen folgenden Reiztypen:

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• Unterschwellige Reize: Energiemenge führt nicht zu einem Aktionspotential (AP).
• Überschwellige Reize: Energiemenge löst ein AP aus.
• Adäquate Reize: Geringste Energiemenge führt zur Ausbildung eines AP.
• Inadäquate Reize: Hohe Energiemenge zur AP-Auslösung notwendig, Art des Stimulus entspricht nicht der Sinneszelle.

Reiz-Reaktions-Kette

Die Reiz-Reaktions-Kette ist der Prozess, der durch einen ankommenden Reiz beginnt und mit einer Reaktion vom Körper endet. Bei der Wahrnehmung eines äußeren Reizes antwortet der Körper mit einer Reaktion.

Die Reiz-Reaktionskette umfasst folgende Schritte:

1. Reiz: Ein Reiz wirkt auf einen Rezeptor.
2. Reizaufnahme und -umwandlung: Die Sinneszelle oder das Sinnesorgan nimmt den Reiz auf und wandelt ihn in ein Signal um. Bei der Reizumwandlung löst der Reiz ein elektrisches Signal aus.
3. Erregungsweiterleitung: Durch sensorische Neuronen wird dieses Signal afferent zum Zentralnervensystem (ZNS) geleitet. Das Signal wird von den sensorischen Nerven weitergeleitet.
4. Erregungsverarbeitung: Im ZNS wird die Information integriert und verarbeitet. Das Gehirn und das Rückenmark verschalten die Informationen und rufen dadurch eine Antwort in Form einer Reaktion hervor.
5. Erregungsweiterleitung: Die Information wird dann über efferente Fasern zu dem Umsetzungsorgan weitergeleitet, z.B. motorische Neuronen für eine Muskelkontraktion, dem Erfolgsorgan.
6. Reaktion: Im letzten Schritt erhält das Zielorgan (Muskel) seinen Befehl und reagiert.

Bewusste Handlungen und Reflexe

Alltäglich reagieren wir auf alle möglichen Reize. Bewusste Handlungen sind Reaktionen, die wir mit unserem Willen steuern. Wir nehmen den Reiz also bewusst wahr und wählen daraufhin eine Handlungsoption aus. Stelle dir vor, ein Ball fliegt auf dich zu.

Reflexe sind Reaktionen, die unbewusst passieren, ohne unsere Steuerung, also automatisch, ablaufen. Wenn du beim Stolpern mit deinem Fuß hängen bleibst, dann schießt automatisch dein Unterschenkel nach vorne. Dieser Reflex schützt dich vorm Hinfallen. Wichtig: Reflexe haben die Aufgabe, uns vor Gefahren zu schützen. Deshalb müssen sie möglichst schnell ausgelöst werden. Die Übertragung und Verschaltung vom Reiz zum Reflex darf also nicht zu lange dauern. Deswegen werden Reflexe im Vergleich zu den bewussten Handlungen nur im Rückenmark umgeschaltet.

Codierung von Geruchsstoffsignalen

Die Codierung von Geruchsstoffsignalen ist ein faszinierender Prozess, der es uns ermöglicht, eine enorme Vielfalt von Gerüchen zu unterscheiden. Diese Seite der Mündliche Prüfung Biologie Abitur Beispielaufgaben befasst sich mit der detaillierten Darstellung der Codierung von Geruchsstoffsignalen und der Rolle verschiedener Rezeptortypen bei der Geruchswahrnehmung. M2 zeigt die Codierung von Geruchsstoffsignalen und illustriert, wie Geruchsstoffe auf Rezeptormoleküle in der Cilienmembran von Riechsinneszellen treffen. M3 stellt verschiedene Rezeptortypen dar und zeigt, wie ein einzelnes Geruchsstoffmolekül an mehrere Rezeptortypen binden kann.

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Rezeptortypen und Geruchswahrnehmung

Die Hypothese zur Wahrnehmung vielfältiger Gerüche basiert auf der Beobachtung, dass ein einzelnes Geruchsstoffmolekül an mehrere Rezeptortypen binden kann. Diese Hypothese erklärt, wie das olfaktorische System mit einer relativ geringen Anzahl von Rezeptortypen eine enorme Vielfalt von Gerüchen unterscheiden kann.

Ein Geruchsstoff kann an Rezeptoren vom Typ A, B und C binden, während ein anderer Geruchsstoff nur an Rezeptoren vom Typ B und D bindet. Jede Rezeptorzelle trägt nur einen einzigen Rezeptortyp. Ein Geruch A könnte Rezeptoren 1, 3 und 5 aktivieren, während Geruch B Rezeptoren 2, 3 und 4 aktiviert.

Beispielaufgaben und Hypothesenbildung

Diese Art von Aufgabe ist typisch für Biologie Abituraufgaben mit Lösungen PDF und erfordert von den Schülern, ihr Wissen über Neurobiologie und Sinnesphysiologie anzuwenden und zu synthetisieren. Die Fähigkeit, solche Hypothesen zu entwickeln und zu begründen, ist ein wichtiger Aspekt der wissenschaftlichen Bildung und wird in Bio Abi mündlich Erfahrungen oft als herausfordernd, aber lehrreich beschrieben.

Analoge und digitale Codierung im Nervensystem

Wie dein Nervensystem z.B. Informationen über die Lautstärke von Tönen und Geräuschen zwischen den Nervenzellen des Nervensystems weiterleitet lernst du in diesem Video. Dabei kommt zu einem ständigen Wechsel zwischen der so genannten analogen und digitalen Codierung. Was das bedeutet, werde ich dir nun genauer erklären. Das möchte ich dir vor allem an der Lautwahrnehmung stark vereinfacht verdeutlichen. Beachte aber, dass die tatsächlichen Prozesse der Lautwahrnehmung sehr viel komplexer sind und von vielen Faktoren abhängen.

Wird ein Reiz von den Sinnesorganen aufgenommen, so verändert sich das Membranpotenzial an den Nervenzellen, die den entsprechende Sinneszellen nachgeschaltet sind. Die elektrische Spannung an der Membran der Nervenzelle wird verändert. Sie wird erregt. In den Dendriten und dem Zellkörper der Nervenzelle kommt es noch nicht zu einem Aktionspotenzial. Es kommt nur zu einer passiven Potenzialverschiebung. Die Information über den Reiz wird analog codiert: D.h. Die Reizstärke wird in Form der Amplitude der Potenzialverschiebung codiert. Diese Veränderung in der elektrischen Spannung setzt sich fort bis zum Axonhügel, welcher in das Axon übergeht. Ein bestimmter Amplitudenwert muss dabei überschritten werden, damit der Reiz überhaupt wahr genommen wird, denn die Entstehung von Aktionspotentialen erfolgt nach dem “Alles oder Nichts Prinzip”. Der zu überschreitende Wert nennt sich Schwellenpotential. Töne, welche sehr leise sind verursachen also im Soma der Nervenzelle keine ausreichende Potenzialverschiebung, sodass kein Aktionspotential wahrgenommen werden kann. Im Axon werden diese Aktionspotentiale dann weitergeleitet. Da es sich nun um Aktionspotentiale handelt, welche stets eine gleich große Amplitude aufweisen, kann die Codierung nun nicht mehr analog erfolgen. In der Abbildung ist jeweils ein starker und ein schwacher Reiz dargestellt. Du kannst dir wieder unser Beispiel zur Hilfe nehmen, indem du dir vorstellst, dass du einen lauten und einen leisen Ton wahrnimmst. In der Sinnezelle entsteht ein elektrisches Signal, welches auf die nachgeschaltete Nervenzelle übertragen wird. An den Synapsen wird das Signal auf die Dendriten der nächsten Nervenzelle übertragen. Die übermittelten Transmitter verursachen die passive Potentialverschiebung der nächsten Nervenzelle. Die Reizstärke wird nun über die Amplitude, also analog codiert. Im Axon erfolgt die Codierung digital. Demnach erfolgt die Abfolge der Aktionspotentiale bei einem starken Reiz schneller. Die Frequenz ist also größer.

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Es ist aber möglich, dass an den Dendriten einer Nervenzelle mehrere Synapsen aktiv sind oder dass eine Synapse in sehr kurzen Abständen immer wieder Impulse sendet. Mehrere schwache Signale können zusammen dann ein Aktionspotenzial auslösen. Eine räumliche Summation liegt vor, wenn mehrere Synapsen schwache Signale senden, die dann im Soma aufgerechnet werden. Von zeitliche Summation spricht man dann, wenn eine Synapse in kurzen Abständen schwache Signale sendet, die addiert werden. So ist es beispielsweise auch möglich sehr leise Töne überhaupt wahrzunehmen.

Eine Information wird zunächst von den Sinneszellen in elektrische Erregung umgewandelt. Danach wird die Information abwechselnd analog und digital codiert. Im Axon erfolgt die Codierung digital in Form von Aktionspotentialen. So kann das Gehirn die Stärke eines Reizes ermitteln und die entsprechenden Signale für eine Reaktion senden.

Erweiterte Materialien und Lernressourcen

Um die selbständige Vertiefung des Themas zu ermöglichen, sollten den Schülern vor der Bearbeitung dieses Films einige Grundlagen bekannt sein. So sollten sie Nervensystem und Nervenzellen in Grundzügen sowie den Aufbau des Gehirns kennen. Um in das Thema einzusteigen, können die Schüler mit Schulbuch oder Internet in Partnerarbeit ihre Kenntnisse über das Nervensystem und dessen Funktion wiederholen und gegebenenfalls ergänzen. Ihre Ergebnisse können sie dann in das Arbeitsblatt 1 „Die Datenautobahn in unserem Körper - das Nervensystem“ eintragen.

Filmische und interaktive Lernangebote

Im Film „Das Gehirn“ können die Schüler verfolgen, wie ein Gehirn - hier am Beispiel des Fahrradfahrens erklärt- funktioniert. Ob es möglich ist, mit der Kraft von Gedanken einen Computer zu steuern, wird in dem Film „Das Gehirn“ gezeigt. Gedächtnissportler verwenden verschiedene Methoden, um sich eine Abfolge von Gegenständen oder Fakten zu merken. Zwei dieser Methoden werden in dem Film „Das Gehirn“ vorgestellt. Mithilfe des Arbeitsblattes 5 „Wie viele Dinge kannst du dir merken? - Gedächtnissport im Klassenraum“ können die Schüler die Loci-Methode ausprobieren. Mit Hilfe des Films füllen die Schüler auch das Arbeitsblatt 6 „Wie merken sich Gedächtnissportler Fakten?“ aus. In der Sendung erfahren die Schüler, was in ihrem Gehirn passiert, wenn sie schlafen. Mit Hilfe des Lückentextes auf dem Arbeitsblatt 8 „Was macht dein Gehirn, wenn du schläfst?“ und Arbeitsblatt 9 „Superhirne? Durch die Sendung wird den Schülern auch deutlich, dass man das Gehirn dazu benötigt, um ein Instrument zu erlernen. Mithilfe des passenden Arbeitsblattes 10 „Wie lernst du, über Jahre, ein Instrument?“ erstellen die Schüler ein Flussdiagramm zum Thema. Während der Arbeit mit dem Arbeitsblatt 11 „Pubertät: Umbau im Gehirn - warum die Pubertät so anstrengend ist…“ finden die Schüler heraus, dass Jugendliche so anstrengend sind, weil ihr Gehirn während der Pubertät umgebaut wird.

Unterrichtsgestaltung und Filmanalyse

1. Einführung:
   • Nervenzellen
   • Nervensystem
2. Hinführung zum Film/Anmoderation:
   • Im Film werden folgende Themen angesprochen:
     • Informationen zur Gedächtnissportlerin Dorothea Seitz
     • Informationen zu Nervenzellen
     • Was macht das Gehirn beim Radfahren?
     • Wie merkt sich Dorothea die Gegenstände auf dem Zug?
     • Was passiert in Dorotheas Gehirn beim Training?
   • Gruppeneinteilung:
     • Gruppe 1: Informationen zur Gedächtnissportlerin Dorothea Seitz
     • Gruppe 2: Informationen zu Nervenzellen
     • Gruppe 3: Was macht das Gehirn beim Radfahren?
     • Gruppe 4 Wie merkt sich Dorothea die Gegenstände auf dem Zug?
     • Gruppe 5: Was passiert in Dorotheas Gehirn beim Training?
3. Film: total phänomenal, „Das Gehirn“ (online abrufbar bei: www.planet-schule.de)
4. Auswertung des Films:
   • Die Schüler äußern sich allgemein zum Film.
   • Inhalte/Fragen der Schüler werden im Lehrer-Schüler-Gespräch geklärt.
5. Die Schüler werten den Film nach dem Thema ihrer Gruppe aus und erstellen eine Powerpoint-Präsentation unter Verwendung von Screenshots aus dem Film, welche sie kommentieren/beschreiben.

Zusätzliche multimediale Ressourcen

Der ZIP-Ordner enthält die Materialien zu den Lerneinheiten der Handreichung: Epithelien ? Informationen empfangen, verarbeiten, speichern. Biologie TF 7 (Heft 3/2018)In dieser Handreichung geht es um die Ausgestaltung des Unterrichts zum Themenfeld 7 "Informationen empfangen, verarbeiten, speichern". Dazu werden die Themenfeld-Doppelseite vorgestellt und exemplarisch mögliche Kontexte und Lerneinheiten beschrieben. Film multimedial: SuperohrenLang oder kurz, riesig oder nahezu unsichtbar – Form und Größe von Ohren variieren. Ebenso vielfältig sind die Arten der Schallwahrnehmung bei Mensch und Tier. Der Film multimedial zur Thematik "Superohren" ermöglicht individuelles Lernen. Hier werden Film, Text, Hintergrundsinformationen und interaktive Lernbausteine miteinander kombiniert. Planet Schule: Dein GehirnKonzentrieren – Lernen – Erinnern: Was leistet dabei das menschliche Gehirn? Drei Filme begleiten drei Schülerinnen und Schüler einen Tag lang in der Schule, in der Freizeit und zu Hause. Ihr Gehirn muss ständig Wichtiges von Unwichtigem unterscheiden und sich auf die richtigen Dinge konzentrieren. Film multimedial: TastsinnDas Tasten ist wichtig zur Orientierung, für die Nahrungssuche, soziale Kontakte – besonders bei Blinden. VDer Film multimedial zur Thematik "Tastsinn" ermöglicht individuelles Lernen. Hier werden Film, Text, Hintergrundsinformationen und interaktive Lernbausteine miteinander kombiniert. Die Basis bildet ein fünfzehnminütiger Wissensfilm, der mit Medienfenster synchron verschaltet ist. Das stinkt hier aber - Wie der Geruchssinn uns durchs Leben steuertIn dem Vortrag von Professor Markus Jungehülsing aus der Reihe „Bergmanns Kinder-Akademie“ (49:12, 2021) wird erläutert, was genau beim Riechen in unserer Nase passiert, welche Aufgabe unser Gehirn dabei übernimmt und wofür das Riechen eigentlich gut ist. Hierbei zeigt u.a. ein Video, wie man die Nase von innen untersucht. Im seinerzeit als Webinar übertragenen Vortrag erleichtern auch Modelle und Bilder das Verständnis. Gelber Fleck - einfach erklärtMit dieser Folie wird anhand von Bildern der Zusammenhang zwischen Auflösung und Sehschärfe leicht erschließbar. Total phänomenal: SuperaugenInformationen und Materialien rund um den aktualisierten Film ʺDie Superaugenʺ (14:55 min, 2019) werden bei ʺPlanet Schuleʺ wie üblich im Menüpunkt ʺUnterrichtʺ angeboten. Second messenger Vorgänge (Animation)Diese englischsprachige Animation zeigt u.a. cAMP und Calcium als Second Messenger. Für die Benutzung der seit einiger Zeit auch auf Youtube verfügbaren Animation wird kein Adobe Flash Player mehr benötigt. Automatisch erzeugte übersetzte Untertitel sind mit den üblichen Youtube - Mitteln möglich. M.C. Escher und sein Spiel mit den PerspektivenDie Webseite auf Planet-Wissen erläutert an zahlreichen Beispielen und mit Interviews, wie die wunderbaren Werke von M.C. Lern neuro! - SelbstlernplattformAuf der kostenlosen Selbstlernplattform können nach Anmeldung entweder vom Lehrer ausgewählte oder vom Schüler selbstgewählte Themen (ʺLerntracksʺ) anhand von immer neu dazukommenden Materialien ʺgepauktʺ werden. Die für die komplette Sekundarstufe in unterschiedlicher Differenziertheit vorhandenen Lernmaterialien sind umfassend und mit vielen aussagekräftigen Abbildungen versehen. Die Bandbreite der Themen geht rund ums Gehirn bis hin z.B. Visuelle Wahrnehmung - Das menschliche AugeDer interaktive ʺtet-kursʺ behandelt mit kleinen Experimenten (Linse verschieben, um den Strahlengang bei Fehlsichtigkeit zu korrigieren…), Lückentexten, Zuordnungsaufgaben und vielfältigen Bild- und Videomaterialien die komplette Thematik rund ums Auge. Auch zahlreiche optische Täuschungen werden vorgestellt und erklärt. Mit den unteren Werkzeug - Symbolen lassen sich etwa am Smartboard Anmerkungen, Hervorhebungen mit Markern etc. Drogen wirken auf das NervensystemDie kleine interaktive Lerneinheit des Biologie - Kollegen Mallig verdeutlicht anschaulich die Wirkung verschiedener Drogen auf Synapsen. Farbwahrnehmung des MenschenIn der interaktiven Simulation kann man die Farbwahrnehmung des Menschen darstellen. Hierbei kann in zwei Settings einfarbiges Licht aus einer Lichtquelle durch Farbfilter geschickt oder aus drei Lichtquellen in unterschiedlicher Intensität rotes, grünes oder blaues Licht gestrahlt werden. Die Haut - Aufbau und AufgabenDie neun mit Hot Potatos erstellten Quiz- und Zuordnungsaufgaben gehen neben dem Hautaufbau auch auf die Aufgaben der Haut sowie der enthaltenen Rezeptoren ein. Inhibitorische Synapsen, Entstehung eines IPSPDas Erklärvideo von ʺBiobylukeʺ (4:14min, 2023) zeigt mit (fast immer) passenden Abbildungen und sehr guten Erklärungen die Vorgänge an einer inhibitorischen Synapse. Erregungsübertragung an einer chemischen SynapseMit passenden Bildern bzw. Chemische Synapsen Die englischsprachige Animation erläutert in einer auch ohne tiefergehende Sprachkenntnisse verständlichen Art Aufbau und Funktion einer chemischen Synapse. Für die Benutzung der auch auf Youtube verfügbaren Animation wird kein Adobe Flash Player mehr benötigt. Automatisch erzeugte übersetzte Untertitel sind mit den üblichen Youtube - Mitteln möglich.

Beispiele für Reiz-Reaktions-Ketten im Alltag

Mit dem Reiz-Reaktions-Schema kannst du erklären, warum du dich blitzschnell auffangen kannst, wenn du stolperst. Das Reiz-Reaktions-Schema beschreibt, wie ein Reiz von deinem Körper aufgenommen und zu einer Reaktion verarbeitet wird. Du nennst den Ablauf auch Reiz-Reaktions-Kette.

• Beispiel: Dir wird ein Ball zugeworfen. Deine Augen (Sinnesorgane) nehmen den heranfliegenden Ball (Reiz) wahr. Die Information über den Ball löst ein elektrisches Signal aus. Daraufhin leiten die sensorischen Nerven das elektrische Signal weiter an dein Gehirn. Dein Gehirn verarbeitet die Information und sendet ein Signal, um eine Reaktion hervorzurufen. Das Signal gelangt über die motorischen Nerven weiter an die Muskeln (Zielorgane) in den Armen und Beinen.
• Beispiel: Du verbrennst dich an einer Herdplatte. Die Sinneszellen deiner Haut erfassen die Hitze (Reiz). Das Signal wird ausgelöst. Anschließend leiten deine sensorischen Nerven die Erregung weiter an dein Rückenmark. Dein Rückenmark verschaltet die Information. Die Antwortreaktion wird von den motorischen Nerven an deine Muskeln im Arm weitergegeben.
• Beispiel: Jemand ruft deinen Namen. Die Schallwellen des Rufs (Reiz) reizen die Sinneszellen in deinem Ohr. Daraufhin löst der Reiz ein elektrisches Signal aus. Die sensorischen Nerven leiten das Signal an dein Gehirn weiter. Nun kann dein Gehirn die Informationen verarbeiten. Danach geben deine motorischen Nerven die Antwort weiter.

Übungsaufgaben zum Reiz-Reaktions-Schema

• Wer verschaltet die Informationen und ruft dadurch eine Antwort in Form einer Reaktion hervor? Lösung: Das Gehirn und das Rückenmark.
• Was ist ein Reflex und was ist eine bewusste Handlung? Wo liegen die Unterschiede? Lösung: Reflexe sind eine automatische und unbewusste Handlung, die du nicht steuern kannst. Bewusste Handlungen steuerst du willentlich.
• Was passiert in dem Schritt nach der Reizumwandlung? Lösung: Nach der Reizumwandlung kommt die Reizweiterleitung.
• Nenne die einzelnen Schritte des Reiz-Reaktions-Schemas in der richtigen Reihenfolge. Lösung: 1. Reiz 2. Reizaufnahme und -umwandlung 3. Erregungsweiterleitung 4. Erregungsverarbeitung 5. Erregungsweiterleitung 6. Reaktion
• Dir fliegt ein Staubkorn ins Auge. Du blinzelst. Beschreibe den Ablauf vom Reiz bis zur Reaktion. Ist das Blinzeln ein Reflex oder eine bewusste Handlung? Lösung: Der Staubkorn reizt das Auge. Der Reiz löst ein elektrisches Signal aus, das über die sensorischen Nerven weitergeleitet. Die Informationen werden im Rückenmark verschaltet. Danach wird eine Reaktion als Signal über die motorischen Nerven an das Augenlid geleitet. Du blinzelst. Es handelt sich um einen Reflex.
• Ein Ball kommt auf dich zugeflogen. Du fängst ihn. Handelt es sich um einen Reflex oder eine bewusste Handlung? Wo erfolgt die Erregungsverarbeitung? Lösung: Es handelt sich um eine bewusste Handlung. Die Erregungsverarbeitung erfolgt im Gehirn.
• Fallen dir noch weitere Beispiele ein? Nenne zwei Beispiele für einen Reflex und zwei Beispiele für eine bewusste Handlung. Lösung: Reflex: 1. Du verbrennst dich an einer Herdplatte und ziehst deinen Arm zurück. 2. Du stolperst und deine Beine machen dabei eine Bewegung nach vorne. Bewusste Handlung: 1. Jemand ruft dich und du drehst dich um. 2. Dir ist die Musik zu laut.

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