2210-6012 29 pages
M10/4/BIOLO/SP3/ENG/TZ1/XX+
Tuesday 18 May 2010 (morning)
BiologySTANDARD levelPAPeR 3
INSTRUCTIONS TO CANDIDATES
• Write your session number in the boxes above.• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Answer all of the questions from two of the Options in the spaces provided. You may
continue your answers on answer sheets. Write your session number on each answer sheet, and attach them to this examination paper and your cover sheet using the tag provided.
• At the end of the examination, indicate the letters of the Options answered in the candidate box on your cover sheet and indicate the number of answer sheets used in the appropriate box on your cover sheet.
1 hour
Candidate session number
0 0
© International Baccalaureate Organization 2010
0 1 2 9
2 2 1 0 6 0 1 2
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Option A — Human nutrition and health
A1. Astudywasmadetolookattheeffectofbreastfeedingoninfanthealth.Theinfantsstudiedwere all healthy at birth. They were classified as never breastfed, partially breastfed oronlybreastfed,basedontheirfeedingstatusinthefirstthreemonthsoflife.Thefrequencyofhealthcareusewasassessedforeachofthesegroups,forthreeillnesses(lowerrespiratoryinfection,middleearinfectionandgastroenteritis).
Thetablebelowindicatesthefrequencyofinitialandfollow-upvisitstothedoctor,prescriptionofmedicationandhospitalizationsduringthefirstyearoflife.Follow-upvisitsandmedicationwereseldomneededforgastroenteritis.
Mean frequency of healthcare use per child in the first year of life
Never breastfed
Partially breastfed
Only breastfed
Lower respiratory infectionMeannumberofvisitstodoctor 0.46 0.44 0.40Follow-upvisits 0.07 0.01 0.02Medications 0.27 0.21 0.19Hospitalization 0.02 0.02 0.01
Middle ear infectionMeannumberofvisitstodoctor 2.04 1.88 1.51Follow-upvisits 1.02 1.44 0.76Medications 2.04 1.88 1.51
GastroenteritisMeannumberofvisitstodoctor 1.50 0.94 0.45Hospitalizations 0.11 0.11 0.04
[Source:ReproducedwithpermissionfromPediatrics,Vol103,pages870-876,Copyright1999bytheAAP.]
(a) Usingthedata,identifytheillness
(i) thatcausesthegreatesthealthcareuseinthefirstyearoflife.
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(ii) forwhichbreastfeedingcausesthegreatestreductioninvisitstothedoctor.
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(Question A1 continued)
(b) Comparethehealtheffectsofonlybreastfeedingwithpartialbreastfeeding,usingthedatainthetable.
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(c) Suggesthowthecompositionofbreastmilkandartificialmilkmayhavecontributedtotheseresults.
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A2. (a) Statetheenergycontentof100gofcarbohydrate,fatandprotein.
Carbohydrate:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fat: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Protein: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) Explainthepossiblehealthconsequencesofdietsrichinfats.
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(Question A2 continued)
(c) Outlinetheconsequencesofproteindeficiencymalnutrition.
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A3. (a) ListtwodietarysourcesofvitaminD.
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(b) DiscussexposuretosunlightasasourceofvitaminD.
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A4. Outlinetheconceptoffoodmiles.
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Option B — Physiology of exercise
B1. Astudywascarriedouttoassesstheeffectsofhigh-intensityintervaltrainingonheartrate.20subjectswererandomlyassignedtotwogroups: trainingandcontrol. Theyunderwentatestinwhichtheexercisebecameharderandharderuntiltheyreachedthepointofexhaustion(progressiveincrementaltest).Thetraininggroupthenperformedninesessionsofhighintensityintervaltrainingonacycleergometerduringthreeweeks(1minuteat130%ofmaximalaerobicwork ratewith1minute rest intervals until they felt theywere at thepoint of exhaustion).The control group did not do any training. Both groups then repeated the progressiveincrementaltest.
Thegraphsbelowshowthemeanheartratecurvesduringprogressiveincrementaltestsbefore
andaftertraining.
TrainingGroup ControlGroup
Meanheartrate/
beatsminute–
1
200
180
160
140
120
100
80
60
Meanheartrate/
beatsm
inute–
1
180
160
140
120
100
80
600 30 60 90 120150180210240270300 0 30 60 90 120 150 180 210 240
Workload/W Workload/W
Key: beforetrainingaftertraining
[Source:LFronchetti,et al.,“EffectsofHighIntensityIntervalTrainingonHeartRateVariabilityDuringExercise”,Journal of Exercise Physiology,(2007),10 (4)August,pages1–9.Reprintedwithpermission.]
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(Question B1 continued)
(a) Statethreefactorsthatwouldhavetobeconsideredwhenselectingthesubjectsusedinthisstudy.
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(b) Describetherelationshipbetweenworkloadandheartrateshownbythegraphs.
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(c) (i) Calculatethechangeinmeanheartrateataworkloadof90Winthetraininggroupbeforeandafterthreeweeksoftraining.
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(ii) Deducetheeffectoftrainingonheartrate.
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B2. (a) Thediagrambelowshowsanelbowjoint.
(i) Onthediagram,labelapairofantagonisticmuscles. [1]
(ii) StatethefunctionofthestructurelabelledA.
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(b) ExplaintheroleofATPinthecontractionofskeletalmuscle.
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A
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B3. (a) Definetidal volume.
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(b) Outlinetheeffectsoftrainingonthepulmonarysystem.
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B4. Discusstheneedforwarm-uproutines.
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Option C — Cells and energy
C1. Global atmospheric carbondioxide levels are rising. A studywas carriedout to test if thetemperature dependence of photosynthesis was altered by elevated atmospheric CO2.MaizeplantsweregrowninnaturalsunlightincontrolledenvironmentalchambersatdifferenttemperaturesusingcurrentatmosphericanddoubledCO2levels.
The graph below shows daily patterns of CO2 exchange at three different temperatures.Open shapes ( , , ) represent current atmosphericCO2 levels and closed shapes ( , , )representelevatedCO2levels.
Carbondioxideexchangerate
/µm
olchamber–1s–
1
150
120
90
60
30
0
19ºC
38.5ºC
31ºC
04:00 08:00 12:00 16:00 20:00Time
[Source:Reprintedfrom61(3),Environmental and Experimental Botany,SHKim,et al.,“Temperaturedependenceofgrowth,development,andphotosynthesisinmaizeunderelevatedCO2”,pages224-236,copyright(2007)withpermissionfromEnvironmentaland
ExperimentalBotany.]
(a) (i) Statethetimeatwhichcarbondioxideexchangerateismaximal.
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(ii) Explainthereasonsformaximumcarbondioxideexchangerateatthistime.
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(Question C1 continued)
(b) State the temperature that resulted in thehighest rate of photosynthesis under currentatmosphericconditions.
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(c) Usingthedatainthegraph,discusswhetherrisingcarbondioxidelevelsintheatmospherewillincreasegrowthratesinmaize.
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C2. (a) Statetwofunctionsofproteins,givinganamedexampleofeach.
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(b) Explainthesignificanceofpolarandnon-polaraminoacids.
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C3. Thediagrambelowshowspartof therespiratorypathway. Thenumberofcarbonatomsineachmoleculeisindicated.
Link reaction
C2
C3
C6
C5
C4
(a) (i) LabelpyruvateandacetylcoenzymeAonthediagramabove. [1]
(ii) Indicatetwoplaceswheredecarboxylationoccursonthediagram. [1]
(iii) Listoneproductotherthancarbondioxideformedinthisstageofrespiration.
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(b) Statepreciselywhereinacellthisstageofrespirationisoccurring.
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[1]
C4. Explainthecontrolofmetabolicpathways.
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Option D — Evolution
D1. Drosophila subobscura(showninphotographbelow)isaspeciesoffruitflynativetoEurope.ThesampleontheleftisfromSpain,latitude39,andtheoneontherightisfromDenmark,latitude 56. The species was introduced into both South America and North Americaapproximately 20 years ago. The graph below shows the wing size in arbitrary units ofD. subobscuraatdifferentlatitudesinthethreelocations.
Key:
EuropeNorthAmericaSouthAmerica
Wingsize/arbitraryunits
30
20
10
0
30 35 40 45 50 55 60PhotographbyGeorgeW.Gilchrist Latitude(NorS)
[Source:GWGilchrist,et al.,“Atimeseriesofevolutioninaction:alatitudinalclineinwingsizeinSouthAmericanDrosophilasubobscura”(2004),Evolution,58 (4),pages768–780.Usedwiththepermissionof
Wiley-Blackwell.]
(a) Identify the relationship between wing size and latitude shown by D. subobscura inEurope.
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(Question D1 continued)
(b) (i) ComparethedataforwingsizeofD. subobscurainNorthandSouthAmericawithwingsizeinEurope.
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(ii) Suggestonereasonforthedifferences.
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(c) Predict,withareason,whatmighthappentoD. subobscurainthefutureasaresultofitsintroductiontonewareas.
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[2]
D2. (a) StatetwoprocessesneededforthespontaneousoriginoflifeonEarth.
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(b) Outline the properties of RNA that may have allowed it to play a role in theoriginoflife.
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D3. (a) Outlineamethodfordatingfossilsusing14C.
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(b) OutlinethetrendsillustratedbythefossilsofArdipithecus andAustralopithecus.
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D4. Compareconvergentanddivergentevolution. [3]
Convergent evolution Divergent evolution
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Option E — Neurobiology and behaviour
E1. Desertants(Cataglyphis fortis)useodour tohelpfindtheirfood. Whenaconstantwindisblowing, the antsdonot approach fooddirectly. Instead, theywalkdownwindof the foodsourceandthen,whentheydetecttheodourofthefood,theyfollowtheodourtrailupwinduntiltheyreachthefood,asshowninthefigurebelow.
Nest Dow
nwind
approach
Nest-feederdistance
[Source:HaraldWolfandRudigerWehner,“DesertAntsCompensateforNavigationUncertainty”,Journal of Experimental Biology,208(22),Nov.2005,pages4223-4230:Figures1and4.Adaptedwithpermission.]
Toinvestigatethisbehaviourpattern,feederswereestablishedatdistancesof5mto60mawayfromthenest.EachfeederconsistedofaPetridishfilledwithbiscuitcrumbs.Thegraphbelowshowsthedistributionofdownwindapproachdistancesforeachdifferentnest-feederdistance.
Frequency/%
60504030201000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Downwindapproachdistance/m
[Source:HaraldWolfandRudigerWehner,“DesertAntsCompensateforNavigationUncertainty”,Journal of Experimental Biology,208(22),Nov.2005,pages4223-4230:Figures1and4.Adaptedwithpermission.]
(This question continues on the following page)
Winddirection
5m
10m20m
50m60m
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(Question E1 continued)
(a) Outline the relationshipbetween thedownwindapproachdistanceand thenest-feederdistance.
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(b) Compare the results observedwhen the feederswere located at 5mwith the feedersat60m.
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(c) Suggestonepossiblesourceofuncertaintiesorerrorsintheseexperiments.
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[1]
(d) Deduce, with a reason, what type of behaviour pattern is shown by the ants in theexperiment.
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E2. (a) Definereflex.
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[1]
(b) Belowisadiagramofarelexarcforapainwithdrawalreflex.
.III
.II
.IIV.
(i) LabelthepartsindicatedbythelettersI–IV.
I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
II.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
III.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IV.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(ii) ExplaintheroleofpartsIandIIinapainwithdrawalreflex.
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E3. (a) (i) Statethetypeofreceptorcellsthatdetectsound.
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(ii) Stateanexampleofthesereceptorsinhumans.
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(b) Outline the role of inheritance and learning in the development of birdsong in youngbirds.
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E4. Explaintheeffectsofcocaineintermsofactionatsynapsesinthebrain.
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Option F — Microbes and biotechnology
F1. Releaseofsewageinmarinewatersisacommonpracticebutitcancausewatercontaminationwithpathogens.Aseriesofexperimentswereconductedtocompareinactivationratesoftwodifferentgroupsofmicrobeswithdifferentsunlightexposures.Onegroupwerefecalcoliformbacteriaand theotherwerecoliphageviruses. Experimentswereconductedoutdoorsusing300-litremixturesofsewage-seawaterinopen-toptanks.
Atwo-dayexperimentwascarriedoutwithuntreatedsewageaddedtoseawater. Bothdayswere sunny with no clouds. The figure below shows the inactivation of the microbes inseawaterasafunctionofthecumulativeamountofsunlightandtime.Thesurvivalcurvesofthetwomicrobesareplottedagainstsunlightexposure(lowerxaxis)duringdaylightperiodsandagainsttimeduringtheovernightperiod(upperxaxis).Theyaxisgivescountsofbacteriaandvirusesper100ml.
Hoursafteruntreatedsewageadded0 5 10 15 20 25 30
Countso
fbacteriaandvirises/100ml–1 105
104
103
102
10
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(Question F1 continued)
(a) Identifythetimeatwhichfecalcoliformbacteriacountsfellbelow1unitper100ml.
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(b) Deduce,usingthedatainthegraph,theeffectofsunlighton
(i) fecalcoliformbacteria.
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(ii) coliphageviruses.
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(c) Foranaccidentalsewagespill,suggest,givingareason,whichofthetwomicrobesmaybemostusefulasafecalindicatortwodaysafterthespill.
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F2. Belowisadiagramofthenitrogencycle.
Organicmolecules in
producers
Organic molecules in
primary consumers
Organicmolecules in
secondary consumers
Nitrogen gas in the
atmosphere
Nitrate
Nitrite Ammonium compounds
Decomposers
Death and nitrogenous excretion
A
B
(a) IndicatetheprocessesoccurringatAandB.
A:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) (i) DrawanarrowtoindicatewhereinthecycleAzotobacterplaysarole. [1]
(ii) StatetheroleofNitrobacterinthiscycle.
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(c) Outlinetheconsequencesofreleasingnitratefertilizerintorivers.
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F3. (a) Outlinetheproductionofsoysauce.
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(b) Explaintheuseofhighsugarorsaltconcentrationinfoodpreservation.
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F4. Explainhowreversetranscriptaseisusedinmolecularbiology.
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Option G — Ecology and conservation
G1. Theelementarsenic(As)isnotneededforplantgrowthanddevelopment.TheaccumulationofarsenicintheChinesebrakefern(Pteris vittata) wasstudied.Youngfernswithfiveorsixleavesweretransplantedtosoilcontaminatedwitharsenicandweregrownfor20weeksinagreenhouse.
ThegraphbelowshowsthearsenicconcentrationsinleavesandrootsoftheChinesebrakefernduringthe20weeksaftertransplanting.ArsenicconcentrationisexpressedasmgAskg−1dryweightofplant.
Arsenicconcentration/m
gAsk
g–1
dryweightofplant
7500
6000
4500
3000
1500
0
0 5 10 15 20 25Weeksaftertransplanting
Key: Root Leaves
[Source:CTu,et al.,“ArsenicAccumulation in theHyperaccumulatorChineseBrakeand itsUtilizationPotential forPhytoremediation”,(2002),Journal of Environmental Quality,31(5),pages1671–1675:Figure2(adapted).Reprintedwithpermission.]
(a) Using the data in the graph, describe the accumulation of arsenic in the Chinesebrakefern.
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(Question G1 continued)
The tablebelowshows the total amountof arsenicaccumulatedby theChinesebrake fern,expressedasaconcentrationintheplanttissueandasapercentageofthearsenicoriginallyinthesoil.
Time / weeks Arsenic concentration in fern / mg As kg–1
Percentage of original soil arsenic absorbed by fern
0 2 0.002 66 0.054 221 0.156 408 0.288 1300 0.88
12 5390 3.6816 13800 9.4320 37900 25.90
[Source:CTu,et al.,“ArsenicAccumulation in theHyperaccumulatorChineseBrakeand itsUtilizationPotential forPhytoremediation”,(2002),Journal of Environmental Quality,31(5),pages1671–1675:Figure2(adapted).Reprintedwithpermission.]
(b) (i) Assumingthemeanrateofarsenicaccumulationoverthefirst20weekscontinued,calculatehowlongitwouldtaketoremoveallthearsenicfromthesoil.
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(ii) Using thedata in the table,discuss thepotentialofusingChinesebrake fern toremoveallarsenicfromcontaminatedsoil.
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(c) Suggestonepossibleconsequenceofarsenicaccumulationinplantsforotherorganismsinthecommunity.
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G2. (a) Outlinethreefactorsthataffectplantdistribution.
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(b) Outline a method used to correlate the distribution of plant species with an abioticfactor.
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G3. (a) Stateoneexampleoftheaccidentalreleaseofanalienspeciesthathashadasignificantimpactonanecosystem.
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(b) Discusstheimpactofalienspeciesonecosystems.
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2210-6012
–29– M10/4/BIOLO/SP3/ENG/TZ1/XX+
G4. Describethedistributionoftundraintheworldtoday.
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