环球速读：科学家再揭秘恐龙灭绝之谜 地球上疯狂的一次爆炸

北京时间8月20日消息，据国外媒体报道，目前，恐龙灭绝之谜现已揭晓，6500万年前，一颗体积较大的小行星碰撞在尤卡坦半岛希克苏鲁伯地区，随后碰撞引发超级火山喷发，导致地球气候发生显著变化，最终恐龙在一连串的灾难中无法适应，最终走向了灭绝之路。地球美国地质学家沃尔特·阿尔瓦雷斯（Walter Alvarez）说：“理解我们如何破译岩石层中记录的一个伟大历史事件，就像该考古事件自身一样有趣。”

重要的岩石样本

古比奥古镇建造在意大利翁布里亚地区英吉诺山脉斜坡位置，其保存完好的建筑结构记录了古罗马辉煌的历史。公元前2世纪-1世纪之间，伊特鲁里亚人始建了这座古镇，罗马时代、中世纪和文艺复兴时期相继建造了罗马剧院、执行官邸，各种教堂和喷泉，成为吸引游客前来参观的著名古罗马景点之一。

(资料图)

然而，吸引美国年轻地质学家沃尔特前往古比奥古镇的并非古罗马建筑，而是保存在城镇外部岩石结构中的自然历史记录。在古比奥古镇外部存在着地质学家梦寐以求的东西——地球上最广泛、最连续的石灰岩层。

图中是沃尔特和父亲路易斯，他们俩站在意大利古比奥裸露岩层，他们用手触摸K-T边界的白垩纪石灰岩层。

当地人将吸引人注意的粉色裸露岩层命名为“Scaglia rossa”，它们位于山坡和峡谷地区，“Scaglia”的意思是岩石薄片，指的是岩石很容易削成方形结构，用于建造房屋，例如：罗马剧院，“rossa”指的是粉红色。这个巨大的岩层是由许多层构成，大约跨度400米，最早的历史记录可追溯至远古海底，该岩层记录了地球5000万年发生的变化。

长期以来，地质学家一直使用化石识别来自世界各地的岩石记录，沃尔特使用该策略研究古比奥古镇周围岩石结构。在这种石灰岩层中，他发现了微型生物的外壳化石，这种生物叫做有孔虫（foraminifera）。它们是一群单细胞原生生物，只能用放大镜才能观看到，但是1厘米厚度的粘土中，他发现了两个石灰岩层，根本没有化石记录。此外，在粘土层之下更古老的地质层中，有孔虫化石广泛存在着，并且其个头比粘土层之上发现的化石样本更大。无论他在古比奥古镇任何地方进行勘察，都发现一层薄粘土层上面和下面的有孔虫化石存在着大小差异。

沃尔特对比白垩纪末期（图中底部）和第三纪（图中顶部）时期的有孔虫化石样本，在世界范围内的第三纪（图中顶部）时期的快速、戏剧性的变化感到困惑。这些标本来自不同的地点（不是古比奥岩层）。

沃尔特对此感到迷惑不解，究竟发生了什么才导致有孔虫出现体形差异变化？这个过程发生得有多快？不存在有孔虫的薄粘土层代表了多长的历史时期？

这些微型生物看似十分普通，1300英尺厚的岩层中1厘米厚的粘土层似乎也是微不足道的，但是这项发现让沃尔特获得一个重大发现，关于地球生命历史的一个重要时期。

K-T边界

从化石分布和其它地质数据来看，古比奥岩层跨越了白垩纪和第三纪时期。这些地质时期的命名源自早期地质学家关于地球历史上主要间隔时期的观点，以及标记特定时间的一些特征。在一个时期划分体系中，生命发展历史被划分为三个时代——古生代（“远古生命”，第一代动物）；中生代（“中期生命”，恐龙生活的时期）和新生代（“近代生命”，哺乳动物生活的时期）。白垩纪是以白垩色岩层特征而命名，形成于中生代后三分之一时期。第三纪（曾被重新命名，并细分为早第三纪和新第三纪），开始于6500万年前的白垩纪末期，结束于260万年前的第四纪初期。

白色的白垩纪石灰岩与红色的第三纪石灰岩隔着一层薄薄的粘土层（用硬币标记）。

沃尔特和他的同事比尔·劳里（Bill Lowrie）用了几年时间研究古比奥岩层结构，他们从第三纪岩层取样，然后向下提取岩石样片，直至白垩纪岩层。他们最初感兴趣的是试图将地球磁场逆转与化石记录联系起来，以此来破解地球历史的时间尺度。他们学会了通过某些沉积层中的有孔虫特征分析，从而确定他们在岩层中的位置，并学会了识别白垩纪和第三纪岩层边界。这个岩层边界总是位于有孔虫体形显著减小的位置，下面的岩层属于白垩纪时期，上面的岩层属于第三纪时期，位于两个岩支之间的薄粘土层属于K-T边界（白垩纪-第三纪边界）。

地质学家将地球的历史组织成时代和时期。KT边界正好位于白垩纪和第三纪之间，大约在6500万年前。

距离古比奥古镇1000公里处，是西班牙东南海岸卡拉瓦卡（Caravaca），荷兰地质学家简·斯米特（Jan Smit）注意到K-T边界附近岩层中有孔虫的变化模式非常类似，他知道K-T边界标志着最著名的所有恐龙物种灭绝。当时，一位同事向沃尔特指出这个事实，他对那些小型有孔虫化石和K-T边界更感兴趣。

据悉，沃尔特对学术性地质学比较陌生，在他获得博士学位之后，他曾在利比亚一家跨国石油公司的勘探部门工作，一直工作到卡扎菲将所有美国人驱逐出境。他在磁极反转方面的工作进展得非常顺利，但他意识到古比奥岩层中有孔虫的突然变化和K-T边界出现的恐龙物种大灭绝事件是一个更大的未解谜团，他下定决心要揭开其中的秘密。

在古比奥岩层形成过程中，铱元素水平被绘制出来，注意图中K-T边界粘土的峰值。

沃尔特希望揭晓其中的第一个问题，很自然，就是那层薄粘土层需要多长时间才能形成？要回答这个问题，他也需要一些帮助。孩子们从父母那里学习科学项目是很普通的事情，但沃尔特的情况特殊一些，他是在30多岁时，向自己父亲请教学习了很多知识。

从原子弹到宇宙射线

沃尔特的父亲是路易斯·阿尔瓦雷斯（Luis Alvarez），路易斯对地质学或者古生物学了解甚少，但是他对物理学却非常熟悉，他是美国核物理诞生和发展的核心人物。1936年，他在芝加哥大学获得物理学博士学位，并在加州大学伯克利分校工作，师从恩尼斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence），劳伦斯因发明粒子回旋加速器在1939年获得诺贝尔物理学奖。

路易斯在物理学领域的早期工作因第二次世界大战爆发而中断，在战争开始的最初几年里，他致力于雷达和系统开发研究，这些系统可以帮助飞机在能见度较低的情况下安全着陆。他因此获得了科利尔奖（Collier Trophy），这是航空领域最高荣誉奖，他开发设计了用于恶劣天气着陆地面的控制进场系统（GCA）。

这张地图显示了各种影响证据的位置——布拉斯河的海啸床、海地的玻陨石、海洋钻探点，以及尤卡坦半岛上的火山口和周围的喷射物质。

在战争中期，他被招募加入曼哈顿计划（Manhattan Project），这是美国国家开发核武器的最高机密项目，路易斯和他的学生劳伦斯·约翰斯顿（Lawrence Johnston）设计了炸弹引爆装置。曼哈顿计划负责人罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）随后让路易斯负责测量爆炸释放的能量，路易斯是少数几个亲眼目睹最早两次原子弹爆炸的人员之一。他以科学目击者的身份飞达新墨西哥州沙漠进行第一次原子弹试验，随后不久又飞往日本广岛。

二战之后，路易斯重返物理学研究，他发明了利用大型液氢气泡室跟踪分析粒子行为，1968年，他因在粒子物理学方面取得的成就获得了诺贝尔物理学奖。

左图是一个岩心样本，在佛罗里达以东500公里的一个地点钻探（海洋钻探项目网站1049），生动地描绘了K-T事件。在岩心样本上面覆盖的铱层是一层喷射物质层。右图是格鲁吉亚共和国第比利斯附近的一个保存完好的考古遗址发现了一层一层的球粒（顶部较小的颗粒，底部较大），是从铱元素高度密集的撞击中喷射出来。

这似乎是辉煌职业生涯的一个顶点，但是几年之后，他的儿子沃尔特来到了父亲多年工作的加州大学伯克利分校，加入了该校地质学系。使得这对父子俩有机会经常谈论科学，有一天，沃尔特给父亲一小块抛光后的古比奥K-T边界岩石样本，并解释了其中的秘密。那时路易斯已经60多岁了，他被深深地吸引，并开始思考如何帮助沃尔特解决这个问题。他们开始一起研讨如何测量K-T边界的变化速率，他们需要某种原子计时器。

路易斯是放射性和衰变方面的专家，他首先建议测量K-T边界粘土层中铍-10（10Be）的丰度。宇宙射线对氧气的作用使大气层不断产生这种同位素，粘土层存在时间越长，铍-10存在的数量就越多。路易斯让沃尔特与知道如何测量铍-10丰度的物理学家取得联系，但就在沃尔特开始工作的时候，他发现公布的铍-10的半衰期是错误的，实际的半衰期更短，而经历6500万年，铍-10残留物将数量不足，无法进行测量。幸运的是，路易斯有另一个想法。

空间尘埃

路易斯记得陨石中铂系元素含量是地壳中铂元素含量的10000倍，他认为，从外太空降落的尘埃平均而言应该是恒速下降。因此，通过测量岩石样本中太空尘埃（铂元素）数量，就可以计算出它们形成了多长时间。

这些元素并不丰富，但是可以测量。沃尔特认为，如果粘土层沉积了几千年时间，它将包含可检测到的铂元素物质，但如果沉积得更快，它就不会有这些元素。

路易斯认为，铱（而不是铂）是最好的测量元素，因为它更容易被检测。同时，他认识了可以做这样测量实验的物理学家——伯克利分校辐射实验室两位核化学家弗兰克·阿萨罗（Frank Asaro）和海伦·米歇尔（Helen Michel）。

沃尔特对阿萨罗提供了一组来自古比奥岩层K-T边界的岩石样本，几个月之后，他未获得任何反馈信息。阿萨罗技术分析较慢，在此期间他的工作设备出现故障，并且他还需要进行其他科研项目。

9个月之后，沃尔特接到了父亲的电话，阿萨罗想向他们展示研究结果。之前他们父子预期岩石样本中铱含量为百亿分之一，但实际上阿萨罗发现岩石样本中铱含量为十亿分之三，这比预期含量高30倍，并且比岩层中其它部分的含量更高。

为什么这么薄的岩层中会有如此高含量的铱元素？

在他们被推测数据搞得头昏脑胀之前，最重要的是知道是否高含量铱元素在古比奥岩层中是一种异常现象，还是一种普遍现象。沃尔特计划到另一处裸露的K-T边界岩层采样，最后他来到了丹麦首都哥本哈根市南部Stevns Klint地区，他仔细研究了这里的粘土层，立即意识到粘土沉积时，“丹麦海底发生了一些不愉快的事情”，丹麦海边悬崖表面几乎全是粉笔颜色的岩层，充满着各种类型的生物化石。但是薄薄的K-T边界粘土层却是黑色的，充满了硫磺气味，里面只有鱼骨化石。沃尔特推断称，这种“充满鱼类尸体的粘土层”沉积时，当时的海洋是一片“缺氧墓地”。随后他采集了一些岩石样本，并把它们交给了阿萨罗进行分析。

测量结果显示，在丹麦“鱼骨粘土层”中铱含量是背景岩层铱含量的160倍。沃尔特建议同事斯米特也在自己采集的粘土样本中寻找铱元素，结果显示，西班牙粘土样本中也出现高含量铱元素，同时，来自新西兰K-T边界的岩石样本也是类似的结果，从而证实这一现象具有全球普遍性。

在K-T边界发生了一件非常不寻常、非常糟糕的事情，该时期岩石样本中存在有孔虫、粘土、铱元素和恐龙，但这是为什么呢？

它来自于外太空？

沃尔特马上得出结论，铱元素一定来自外太空。他们想到了超新星，超新星是一种恒星爆炸残骸，它能够将自己内部元素像雨点一样抛射至地球。这个观点曾在古生物学和天体物理学领域中多次讨论过。

路易斯知道重元素通常产生于恒星爆炸，所以如果这个想法是正确的，那么在K-T边界粘土层中除了铱元素之外，还会有其它数量异常的元素。测量的关键同位素是钚-244，它的半衰期为7500万年，它仍然存在于粘土层，但在普通地球岩石中已开始衰变。严格的测试证实K-T边界粘土层钚元素含量并未升高，起初这一结果令大家很失望，但他们仍在继续展开研究分析。

路易斯一直在思考可能导致全球范围内生物死亡的情况，他认为，也许太阳系穿过一个气体云，太阳变得了一颗新星，或者地球上的铱元素来自于木星。事实上，这些想法都站不住脚，缺乏可靠的证据，加州大学伯克利分校天文学同事克里斯·麦克基（Chris McKee）表示，很可能是一颗小行星撞击了地球。路易斯一开始以为小行星碰撞地球只会造成海啸事件，但他却看不出来巨大的海啸如何能杀死栖息在现今美国蒙大纳州或者蒙古境内的恐龙物种。

之后他开始思考1883年喀拉喀托火山（印度尼西亚的一座火山）爆发状况，他回忆其他记录资料显示，大量的喷涌尘埃冲向大气层，细小的尘埃颗粒则在地球环境中循环，并在地球高空位置停留两年或者更长时间。路易斯还从核弹试验中掌握到，放射性物质能够在两个半球之间快速中和，或者一次小行星撞击地球事件产生的大量尘埃会在几年时间内将白天变成黑夜，冷却地球并停止光合作用？

如果是这样的话，那么这颗碰撞小行星有多大？

从粘土层中铱含量、球粒状陨石中铱浓度以及地球表面积进行综合分析，路易斯计算这颗碰撞小行星的质量大约是3000亿吨。之后使用各种不同的方法进行推测，证实这颗小行星的直径大约是10±4公里。

相对于地球1.3万公里的直径，这颗小行星的直径并不大。但是需要考虑它碰撞地球产生的能量。这样一颗小行星将以每秒25公里的速度进入地球大气层，它将在大气层凿开了一个洞，直径10公里，碰撞在地球表面产生相当于1.08亿吨TNT炸药的能量。据悉，迄今最大的原子弹爆炸释放的能量大约是100万吨TNT炸药，这颗小行星碰撞地球产生的能量相当于最大原子弹的100倍。同时，碰撞坑将达到200公里直径，深度达到40公里，大量的物质会从碰撞坑中喷射出来。这支研究小组能够想象到有孔虫和恐龙被杀死的场景。

“地球炼狱”

这颗小行星用大约1秒钟的时间穿过地球大气层，并将它前方的空气加热到太阳温度的数倍。撞击之后小行星彻底粉碎，一个巨大的火球从碰撞地点向太空方向喷射而出，岩石颗粒甚至溅射至抵达月球一半的距离。巨大的冲击波穿过基岩层，之后再反射至地球表面，将融化的基层喷射至大气层边缘以及更远的位置。第二颗火球从受到冲击的石灰基岩压力下喷发出来，在几百公里或者更大的半径范围内，生命形式完全被抹杀。在更遥远的地方，射入太空的物质以极高的速度回落至地球，它们就像几万亿颗流星，在重返大气层时被加热，加热空气并引发大火，海啸、山体滑坡和地震进一步毁坏碰撞地点邻近的地貌结构。

在世界其它地方，死亡会来得慢一些。小行星碰撞残骸和烟尘挡住了太阳光线，黑暗可能会持续几个月时间。这将导致生物进行光合作用，最基础的食物链出现断裂。科学家对植物化石和花粉颗粒的分析表明，某些地区有一半或者更多的植物物种消失了。同时，食物链更高一级的动物也出现陆续死亡，K-T边界不仅标志着恐龙时代的终结，也代表着箭石类生物、菊石类生物以及爬行类动物灭绝。古生物学家评估称，地球上一半以上的物种都在这次小行星碰撞灾难中灭绝，在陆地上，体重不超过25公斤的动物才能勉强幸存下来。这一历史事件代表着中生代的结束。

撞击坑在哪里？

路易斯、沃尔特、弗兰克·阿萨罗和海伦·米歇尔聚集在一起，共同研究分析这个完整的故事——古比奥有孔虫、铱元素异常、小行星碰撞理论，远古生的灭绝场景，这些数据资料发表在1980年6月出版的《自然》杂志，他们在文章中表示，基于西班牙岩层的研究分析，使得他们获得了令人的结论。

然而，他们担心科学界还未做好准备接受小行星碰撞假说，他们有充分的理由担忧。在过去的150年里，从现代地质学开始，重点是一直处于渐变的一种力量。目前现代地质学正在“排挤”《圣经》中的灾难故事，《圣经》中讲述的一些地球灾难性事件不仅令人不安，而且被认为是不科学的。据悉，在小行星撞击地球理论发表之前，科学家认为恐龙灭绝消失通常是由于气候或者食物链逐渐发生变化，导致恐龙物种难以适应，最终走向灭绝之路。

一些地质学家对这一灾难事件持藐视态度，甚至一些古生物学家根本不相信小行星撞击理论。有人指出，在当时的恐龙化石记录中，最高的恐龙骨骼化石在3米之内，位于K-T边界。一些人认为，小行星撞击地球时恐龙可能已经灭绝消失，其他3位古生物学家则反驳称，恐龙骨骼化石如此稀少，人们不应该指望在K-T边界就能找到它们。相反，他们认为有孔虫和其它生物的丰富化石记录更能说明问题，有孔虫和鹦鹉螺化石的确一直存在于K-T边界。

当然，目前还有一个更大的问题需要解释：那个巨大的撞击坑在地球哪里？对于怀疑论者和支持者而言，小行星撞击假说有一个明显的弱点，因此如果撞击坑存在的话，他们就会继续寻找撞击区。

地球上仅有3个直径超过100公里的陨坑，但是它们形成时期均与恐龙灭绝时期不符。如果这颗小行星碰撞在海洋（毕竟海洋覆盖了地球表面三分之二以上面积），那么搜寻人员可能就没有那么幸运了。深海区域如果未被很好地绘制出来，在构造板块不断运动的过程中，前第三纪海底很大一部分已经被吞噬进了深层地球。

在小行星撞击理论提出之后的10年里，科学家对许多线索和轨迹进行了研究分析，但多数以失败告终。随着失败实验的逐渐增多，沃尔特开始相信小行星撞击实际上是在海洋上发生的。

科学家在德克萨斯州的河床中发现一条重大线索，布拉索斯河流入墨西哥湾，河床沙正在处于K-T边界。当地质学家仔细检查河床沉积物模式之后，发现河床特征只能用超过100米的巨大海啸进行解释。此外，与海啸残骸混杂在一起的还有玻陨石（tektites）——一些小块晶体岩石，它们是以熔融的岩石颗粒形式从撞击坑中喷射出来，然后像雨点一般回落地球时冷却下来。

许多科学家仍在寻找具体的小行星撞击位置，亚利桑那大学研究生艾伦·希尔德布兰德（Alan Hildebrand）是最执着的研究员之一。他推断称，布拉索斯河的海啸河就要是小行星撞击坑所在位置的关键线索——它位于墨西哥湾或者加勒比海。他查看了可用地图，观察是否周围还有潜在的陨石撞击坑。他在哥伦比亚北部的海底地图上发现一些圆形结构，他还了解到一些圆形结构存在着“重力异常”，在墨西哥尤卡坦半岛海岸海底圆形结构较为集中。

艾伦还在继续寻找其他任何潜在的重要线索，他发现一份研究报告中记录了海地晚白垩纪岩层中存在玻陨石，随后他立即拜访了发布该报告的实验室，并识别出这些物质就是撞击形成的玻陨石。之后他来到了海地，发现那里沉积物中含有大量的玻陨石，以及令人震惊的石英颗粒——这是小行星撞击的另一个显著特征。他和他的研究生导师威廉·博因顿（William Boynton）推测称，这个小行星撞击坑距离海地不足1000公里。

当艾伦和威廉在一次新闻发布会上公布他们的发现时，《休斯顿纪事报》记者卡洛斯·拜亚尔斯（Carlos Byars）联系了他们，卡洛斯表示，为墨西哥石油公司（PEMEX）工作的地质学家可能多年之前就已发现这个撞击坑，地质学家格伦·彭菲尔德（Glen Penfield）和安东尼奥·卡马尔戈（Antonio Camargo）曾研究了尤卡坦半岛海底的圆形重力异常现象。但是墨西哥石油公司不允许他们发布公司数据，他们在1981年一次会议上（就在沃尔特提出小行星撞击理论的一年之后），提出绘制的远古海底特征很可能是一个陨石坑，格伦甚至写信给沃尔特，并详细说明了自己的观点。

1991年，这几位研究人员正式提出，尤卡坦半岛希克苏鲁伯村地下0.8公里深处存在一个直径180公里的陨石坑（几乎与沃尔特研究团队预测的直径大小完全一致）是人们长期以来寻找的K-T边界小行星撞击陨石坑。

为了确定希克苏鲁伯陨坑是否具有“确凿证据”，仍有一些关键性测试需要做。另一重要问题是岩石的年龄，这并不是一项容易确定的任务，因为陨石坑被掩埋在地下，最好的方法是测试几十年前墨西哥石油公司在该地区钻探井的岩心样本。最初大家担心所有的岩心样本都在仓库火灾中被毁坏，但最终他们还是找到了，被撞击融化的岩石样本可以被许多实验室确定准确形成年代。结果令人非常震惊，一个实验室获得的数据是6498+5万年，另一个实验室获得的数据是6520+4万年，该数据准确无误，证实撞击融化的岩石和K-T边界一样古老。

海地发现的玻陨石也可以追溯至这个年代，因为从小行星撞击中喷射出来的物质沉积也是这样的。详细的化学分析表明，希克苏鲁伯熔融岩中含有大量铱，它和海地的铁钛矿是相同来源。此外，海地玻陨石含水量非常低，内部气压接近零，说明该晶体在大气层外的弹道飞行中已凝固。

在十多年的时间里，这个最初看似激进、在某些人看来古怪的想法，得到了各种间接证据的支持，并最终获得了直接证据的证实。地质学家随后确定了覆盖尤卡坦半岛大部分地区的喷射物质，它们分别沉积在全球100多个K-T边界区域。目前，我们知道地球生命进化历程并非像之前科学家所预想的那样稳步发展。

发现这个巨大的陨石坑，虽然是小行星撞击理论的一大进步，但对沃尔特而言是苦乐参半。他的父亲路易斯·沃尔特于1988年去世，就在发现希克苏鲁伯陨坑之前。

一次重创还是两次重创？

小行星撞击地球的发现促使科学家对其它物种的灭绝是否也是该因素造成产生了置疑，并进行了广泛性研究。在地球过去的5亿年里，其他四次物种大灭绝事件似乎都不是由于小行星撞击引起的。但是同一时期会有大量的小行星或者彗星碰撞地球，尽管它们没有6500万年前形成希克苏鲁伯陨坑的小行星那样大，由于大多数小行星撞击事件不会导致地球物种灭绝，而且地球大多数物种灭绝事件也不是由于小行星撞击引发的。因此人们会问：为什么K-T小行星如此具有毁灭性？

一些科学家提出，小行星撞击地点非常重要。被汽化的目标岩石包含大量石膏，它释放出大量硫磺气溶胶，这些气溶胶可能加剧了太阳光线的阻挡，同时也会产生大量酸雨，从而改变水域大小和土壤成分。此外，小行星撞击还释放大量的氯，足以破坏现今的臭氧层。

但是其他证据表明，在K-T撞击之前，持续一段时间的大规模火山喷发可能已经使地球生态系统变得十分脆弱。现今印度西部的“德干地盾（Deccan Traps）”能够证明在K-T小行星碰撞之前的几十万年里，大量的二氧化碳和二氧化硫已进入地球大气层。事实上，多年以来，一些科学家一直在争论德干地盾的超级火山喷发还是K-T小行星撞击效应，是导致恐龙物种大灭绝的主要原因。

由于这两个事件发生的时间重叠巧合，科学家普遍认为K-T小行星碰撞是导致恐龙灭绝的主因，但是最新地质学证据可能中和了两种观点。目前看来，最大的德干超级火山喷发发生在小行星撞击的时间附近，这使得一些科学家认为，小行星撞击地球地幔所产生的地震效应可能足以引发改变气候的火山喷发事件，在这种情况下，小行星碰撞是“第一击”，而随后的超级火山喷发则是导致恐龙灭绝的“致命一击”。

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