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揭示遗传奥秘

时间:2019-10-01    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

揭示遗传奥秘


1965 年夏天,世界各国的遗传学家应捷克斯洛伐克科学院的邀请,云集

在捷克布尔诺莫勒温镇的一座教堂里,纪念曾在这里进行过大量遗传学研究

工作的近代遗传学奠基人格利戈・约翰・孟德尔的《植物杂交试验》论文发

表 100 周年,缅怀这位默默无闻的科学家对人类作出的伟大贡献。100 年前,


这位基督教修道院院长凭着自己的智慧和毅力,孜孜以求地探索生物遗传的

奥秘。并在 1865 年布尔诺的自然科学学会的报告会上宣读了他的研究成果。

孟德尔通过 8 年的豌豆杂交实验,发现了遗传的分离规律和自由组合(亦称

独立分配)规律,即体细胞中成对的遗传因子在形成生殖细胞时相互分离,

而不同对的遗传因子可以自由组合。但是,这一位对人类认识自然作出杰出

贡献的伟大科学家,却遭到了历史的冷遇。他的学术思想与当时流行的融会

遗传概念大相径庭,因而不能被当时的科学界理解和接受。他的论文发表之

后,被人们忽视或遗忘达 34 年之久。

格利戈・约翰・孟德尔祖籍德国,于 1822 年 7 月 22 日出生在摩拉维亚

的海钦道夫(现属捷克的海恩西斯),那里属于奥地利西里西亚的德语区。

孟德尔出生的村庄素有“多瑙河之花”的美称,村人都爱好园艺。孟德尔的

父亲是一位农民,在农务之余,极爱栽种花草果树。幼年的孟德尔经常随父

亲在花园干些轻微的劳动。孟德尔 6 岁时就在本村唯一的一所小学里读书,

他学习努力,仅用 4 年的时间就学完了小学的全部程。小学附近有一个小花

园,专供学生课余时间种植花卉、果树及养蜂之用。孟德尔自幼就受到这种

环境的熏陶,接受植物栽培、管理等方面的知识和训练。1832 年孟德尔以全

校第一名的成绩考入邻村的一所初级中学。1 年后,他远离家乡,只身去外

地求学。这期间,他的父亲因在一次劳动中受伤,丧失了劳动力,家境困难,

无力在经济上给他更多支持,孟德尔就利用假期到学校附近的农庄打工。就

在这种艰苦的条件下,他度过了 6 年的中学生活,并以优异的成绩获得毕业

文凭。为了将来能成为一名牧师,1840 年孟德尔考入奥尔米茨大学哲学院学

习哲学。1843 年结业后,他经克尔・法朗兹教授的推荐,成为布尔诺奥古斯

丁教派的康尼格克洛斯特修道院的教士,1847 年升任该修道院的神父。1851

年,孟德尔经修道院院长的推荐进维也纳大学学习,开始接受大学的系统教

育。在这座著名的高等学府里,他曾听过进化论先驱者之一、著名植物生理

学教授弗朗士・翁格尔的植物学课;著名的物理学家安德烈・冯・埃丁豪森

的数学、物理学课;以及著名的物理学家克里斯坦・多普勒开设的实验物理

学课。孟德尔如饥似渴地学习,在基础知识和基本操作方面打下了坚实的基

础。同时,这些学者的广博知识和科学思想方法对他日后在遗传学研究上的

突破有着很大的影响。1853 年 8 月,孟德尔结束了维也纳大学的学习生活回

到了布尔诺,并在一所中学兼任代课教员。布尔诺修道院有一所植物园,在

这座植物园里,孟德尔开始了开创性的植物杂交试验,并获得历史性的发现。

1855 年,孟德尔开始对豌豆进行杂交试验。他期望通过对植物遗传的研

究,揭示人类遗传的奥秘。当时许多国家的科学院对研究植物性别和杂交问

题悬赏奖金,提供了大量关于各种不同植物(例如玉米、豌豆、小麦、苹果、

梨)杂交试验的材料。所有的结果都表明,杂交产品有某种程度的稳定,也

有某种程度的可变性。但是弄清产生品种特性或物种特性的内在因素的问

题,却仍然悬而未决。孟德尔在掌握先辈们经过大量工作而获得的知识的情

况下,开始了自己的豌豆杂交实验。在这方面,不仅表明他是一位天才的实

验家,而且是一位了解先辈们工作中的缺点和局限性的理论家。第一,孟德

尔只限于研究非常少的明显的不同特点;第二,他观察的不是一个或少数几

个个体,而是观察种群和大量的类群。

孟德尔从种子商人那里买来了 34 个豌豆品种,经过 2 年的试种,从中挑

选出具有稳定相对性状的 22 个品种,连续 7 年在修道院内不到 2400 平方英


尺的园地里,进行一系列的杂交试验。他精心观察,并且按照杂交后的世代

顺序,对后代中不同性状的个体数目进行统计,探索性状传递的遗传规律。

孟德尔选择了 7 组相对性状的豌豆进行杂交试验:

1.种子:圆的——有皱纹的或者有棱角的;

2.子叶:黄色——绿色;

3.种皮:白色——灰色;

4.荚果形状:拱凸形——缢缩形;

5.荚果颜色:绿色——黄色;

6.花的位置:轴生的——顶生的;

7.花轴:高茎——矮茎。

他不得不排除那些没有明显区别的所有特点。为了避免自花授粉,他提

前摘去了雄蕊;为了防止所不希望的那种异花授粉,他用一只小纸袋把花套

上。为了尽量避免产生偶然的结果,他又努力培植了尽可能多的植株。他分

析的主要不是个别的个体植株,而是种群中普遍出现的植株。这样,他成功

地用挑选出来的 22 种豌豆品种,培养出 5000 多株豌豆植株。

孟德尔把每一组的两个可区分性状的植株,通过杂交授粉,产生出第一

代(F1)杂种。他发现在每一组中杂种的性状表现,都完全像或几乎完全像

两个亲本中的一个。孟德尔把在杂交时保持不变或几乎不变地传给后代的那

些性状称为显性;而在杂种中隐而不见,或者潜伏起来的性状称为隐性。F1

自花受精产出 F2,这时孟德尔发现原先隐而不见的隐性性状得到了表现的机

会。统计显性植株与隐性植株的比率为 3∶1。如红花和白花植株进行杂交,

得到的第一代(F1)的个体外表上都是呈红色的。这种表现显性性状的植株

F1 再予自花授粉,那么在第二代(F2)的性状就会发生分离。孟德尔得到 929

棵子二代豌豆植株,其中红花 705 棵,白花 224 棵,显性性状的红花与隐性

性状的白花之比是 3.15∶1。他还对其他 6 对性状进行试验,获得了同样的

结果:显隐性之比近似于 3∶1。

孟德尔对此提出这样的假设:在每一个植株中的每一相对性状均来源于

两个相同的“基因”(当时孟德尔称之为“遗传因子”),显性基因表现为

显性性状,隐性基因表现为隐性性状。当纯系的红花(基因型为 CC)与纯系

的白花(基因型为 cc)这一对不同性状杂交时,CC 提供一个 C 为配子(生殖

细胞),cc 提供一个 c 为配子,受精时雌雄生殖细胞结合为合子,基因型为

Cc。因 C 对 c 是显性,所以产生的第一代杂种 F1 均表现为红花。当 F1 自花授

粉,即 Cc×Cc 时,雌雄各有两种配子,C 和 c,两种配子之比是 1∶1。受精

时产生 4 种不同组合的基因型:CC、Cc、cC、cc。同样 C 对 c 是显性,在表

现型上 CC、Cc 和 cC 的基因植株都表现为红花,而 cc 植株表现为白花。所在

子二代(F2)植株中表现红花与白花之比为 3∶1。

孟德尔为了验证其假设的科学性,他进行了一系列的实验。他用子一代

杂种 Cc 与亲代纯种 cc 杂交,产生的后代一半是 Cc,呈红花;一半是 cc,呈

白花。结果与预期的设想完全符合。他又在子二代、子三代上进行实验,实

验的结果又与预期的假设相符,从而验证了他的假设的正确性。这样,孟德

尔建立了遗传学的第一规律,即“分离规律”:一对基因在异质结构状态下

并不相互影响,相互沾染,而在配子形成时完全按照原样分离到不同的配子

中去。在一般情况下,配子分离是 1∶1,子二代基因型分离为 1∶2∶1,表


现型分离是 3∶1。分离出来的隐性同质结合和原来的隐性亲本在表现型上完

全一样,隐性基因并不因为曾与显性基因处于同一个体而发生沾染或影响,

仍保持它的质。

孟德尔又通过杂交把几对相对性状结合在一个杂种体上,观察性状传递

规律。他认为无论多么复杂的多对性状植株杂交,对于每一对相对性状来说,

它们同样服从于分离规律。他用一个黄色子叶和饱满种子的亲本与另一个全

是绿色子叶和皱皮种子亲本的豌豆进行杂交,得到的子一代全是黄而满的植

株。子一代通过自花授粉,在 556 粒种中有“黄满”、“绿皱”、“黄皱”、

“绿满”4 种植株。因为同一对相对性状可以发生分离,如黄和绿这一对相

对性状,黄对绿是显性。所以在 556 粒种子中,416 粒是黄的,140 粒是绿的,

其比近似 3∶1。同样,满和皱这一对相对性状来说,满对皱是显性,在 556

粒中,423 粒是满的,113 粒是皱的,其比也近似 3∶1。因为不同性状可以

相互组合,所以把不同性状综合起来可以表现为一种组合系列,组合的机会

是 2n。例如,上述几种相对性状组合的机会是 27=128 种组合类型。如对黄满

和绿皱两对性状来说,它们有 22=4 种不同的组合类型。所在占 3/4 的黄里面

有 3/4 满,1/4 皱,在 1/4 绿里面,有 3/4 满,1/4 皱。同样,在 3/4 的满里

面,有 3/4 黄,l/4 绿;在 1/4 皱里面,有 3/4 黄,1/4 绿。把两种性状综合

起来,即:

黄满=3/4×3/4=9/16

黄皱=3/4×1/4=3/16

绿满=1/4×3/4=3/16

绿皱=1/4×1/4=1/16

其比数是 9∶3∶3∶1。事实上在杂交试验得到的 556 粒种子中:黄满 315

粒,黄皱 101 粒,绿黄 108 粒,绿皱 32 粒,它们的比数也近似于 9∶3∶3∶

1。

孟德尔由此推论得出遗传学的又一规律:“多对基因的独立分配或自由

组合规律”。这个规律表明,当两对或更多对基因处于异质接合状态时,它

们在配子中的分离是彼此独立不相牵连的。

孟德尔用颗粒性遗传因子对生物遗传现象作解释。他认为,生物的每一

个性状,都可以用遗传因子的基本单元来分析。从亲子到子代,是由颗粒性

的遗传因子负责传递的。颗粒性遗传因子存在于细胞,是成双存在于体细胞

里,而在性细胞里是成单存在的。杂交时,颗粒性因子保持独立性,它们之

间不相融合,在杂种产生配子时,不同的遗传因子仍然保持相对的独立性,

互不感染地各自分配在不同的配子里,完整地传给下一代。

孟德尔还从大量的其他植物种类的试验中也得出了相同的结果。以后世

界各国科学家重复孟德尔的试验及在各种植物和动物中试验,都证实了孟德

尔遗传规律的普遍性。

1865 年 2 月 2 日和 3 月 8 日,孟德尔在布尔诺召开的自然科学研究会讨

论会上两次发表了豌豆杂交试验的结果,并宣读了《植物杂交试验》论文。

当时参加会议的有物理学家、天文学家、化学家及地质学家等 40 余人。他们

敬佩孟德尔细心及持之以恒的观察、旁征博引的博学,但对于枯燥的数学演

算感到惊奇及不耐烦,他们不理解为什么研究植物会与数学联系起来。因此

整个会议气氛较为平淡。当时的会议记录在简要地记述孟德尔的报告时说:

“没有提出问题,没有进行讨论。”次年,这份报告以一篇 47 页文章的形式,


刊登在“自然研究会”的杂志上,这篇文章也未受到人们的重视。

1868 年,孟德尔当选为修道院的院长,他因此不得不把植物学的研究放

在第二位。1883 年起,他患了胃病和心脏病。1884 年 1 月 6 日,孟德尔与世

长辞。当数千人为他送葬的时候,大家为失去一位可亲的乐于助人的院长而

悲伤,但谁也不知道他们送走的却是一位伟大的科学家。尽管当时还没有人

承认他的研究成果,但是孟德尔坚信自己的研究是有价值的,他在逝世前几

个月说:“我深信,全世界承认这项工作的成果已为期不远了。”

孟德尔逝世后的 16 年,即 1900 年,荷兰的休戈・德弗里斯、德里的卡

尔・埃里什・柯伦斯和奥地利的埃利什・封・邱歇马克 3 位植物学家根据他

们各自独立的植物杂交试验相继发表论文,他们不约而同地指出:他们在试

验之前完全不知道孟德尔的论文,只是在论文发表前夕查阅有关文献时才发

现自己的论文竟与早已被人遗忘的孟德尔的中心思想不谋而合。

1900 年 3 月 27 日,德费里斯用德文发表了《杂种的分离律》,4 月 7

日,他又用法文发表了《关于杂种的分离定律》。他在德文论文中写道:“这

项重要的研究(孟德尔《植物杂交试验》)竟极少被人引用,以致在我总结

我们主要试验,并从试验中推导出孟德尔论文中已经给出的原理之前,竟然

不知道有这项研究。”

1900 年 4 月 24 日,柯伦斯在《柏林德国植物学会》(第 18 卷)上发表

的《关于种间杂种后代行为的格・孟德尔的定律》论文中这样写道:“还以

为自己发现新东西。但是,随即便发现在上个世纪的 60 年代,布尔诺的格・孟

德尔院长经过一系列深入的豌豆试验,不仅获得了与我完全一致的结论,而

且提出了完全相同的解释。而这一切居然发生在几十年前的 1866 年。”

与此同时,邱歇马克也发表了《豌豆的人工杂交》论文。据他说,他和

柯伦斯都是在 1899 年秋,读了福克的论文《植物杂交》(1881 年)后才第

一次知道孟德尔的论文。

这 3 位植物学家的研究工作恰恰证实了孟德尔所发现的遗传规律的正确

性,由此,孟德尔的经典性的工作才得到科学界的承认。这件事在科学史上

被称为“孟德尔定律的重新发现”。1901 年,孟德尔的《植物杂交试验》、

《人工授粉得到的山柳菊属的杂种》两篇论文重新发表在邱歇马克主编的经

典著作丛书中。《植物杂交试验》又被刊登在《植物区系》杂志上。

英国生物学家贝特森对重新发现孟德尔遗传规律作出了很大的贡献。他

是一位热忱支持遗传学的科学家。他在 1900 年之前并不知道孟德尔的论文,

当 1900 年重新发现之后,他第一个把孟德尔的论文译成英文,并在 1900 年

皇家园艺学会的一次会议上,报告他做的一系列实验论证了孟德尔定律的正

确性。他第一个把研究生物遗传的这门科学称“遗传学”。从此,遗传学成

为生物科学中的一个重要的学科。1909 年,贝特森出版了《孟德尔的遗传原

理》,对传播孟德尔学说起了积极的作用。

孟德尔定律的重新发现,标志着遗传学进入了一个新时期。它结束了绵

亘 2000 多年来人们关于生殖和遗传的种种纯粹的粗俗体验为基础的臆测和

遐想,代之以慎密的科学实验方法和创新的科学思想,初步揭示了生物遗传

和变异的机理。

孟德尔定律是在当时的历史条件下产生的,限于当时的知识水平和研究

水平还不能全部地概括和适用于整个生物遗传现象,他所提出的 “遗传因

子”,后来被丹麦遗传学家约翰逊在 1909 年提出的“基因”一词所取代。但


是早期的基因与“遗传因子”一词的概念一样是逻辑推理的产物,作为一种

遗传性状的符号并没有具体的科学内涵。后来这个历史的任务落在了美国科

学家托马斯・亨特・摩尔根的肩上。

1866 年 9 月 25 日,摩尔根出生在美国肯塔基州列克星敦一个英国贵族

后裔的家庭里。他的父亲曾任美国驻外领事,他母亲也出身于名门望族。少

年时代的摩尔根并没有什么过人的天才。但是,他从小就热爱大自然,对大

自然的无穷奥秘充满了好奇心,什么事情都想亲自探究一番。

1886 年摩尔根从肯塔基州立学院毕业,获得动物学学士学位。随后他考

入约翰・霍普金斯大学研究生院作研究生,先后攻读普通生物学、解剖学、

生理学、形态学和胚胎学。24 岁时,他便完成了《论海洋蜘蛛》的博士论文,

获得哲学博士学位。1891 年,摩尔根接受布林马尔学院的聘请,到该院生物

系任副教授,开始了他的科学研究生涯。1894 年到 1895 年他又受聘到意大

利那不勒斯著名的动物学站工作。在那里,他有机会结识了许多世界知名的

科学家,听到了各种各样的生物学方面的观点。1904 年,摩尔根接受哥伦比

亚大学聘请,担任实验动物学教授。1927 年摩尔根应邀到加利福尼亚理工学

院筹建第一个生物系,1928 年就任该系的第一任系主任。自此以后,他一直

留在加州理学院,积极从事科学研究和科学组织工作,并在那里度过了他的

晚年。

摩尔根开始致力于实验胚胎学的研究,接着又进行了生物组织再生的研

究。后来,他利用实验和分析的手段,用果蝇作为实验材料,在遗传学研究

领域中建立了卓越的功勋。

摩尔根在众多的研究遗传学的科学家中能够脱颖而出,除了摩尔根具有

广博的知识,善于思考的头脑和勤奋的双手之外,还由于他正确地选择了果

蝇作为实验材料。

果蝇是一种在水果上取食的小昆虫,它受到遗传学家们的青睐,是与遗

传学研究的特殊要求和目的分不开的。遗传学研究生物遗传和变异的原因,

必须连续地观察和研究生物的许多个世代才行。这就要求被研究的生物繁殖

速度快,产生的后代多。而果蝇正好具备了这个条件。1 只果蝇 1 年可繁殖

30 代,每代可产生上千只小果蝇。另外,要弄清遗传和变异的原因,还必须

研究染色体的变化情况。染色体是各种生物的细胞中携带遗传信息的物质。

生物的各种特征,如身体的形状、大小、颜色等等,正是由各自的染色体决

定的。各种生物有各独特的染色体,有的数目多,有的数目少,比如人有 23

对染色体。染色体太多,观察起来不方便。因此,科学家就寻找一些染色体

简单的生物作实验材料。果蝇正好符合这个要求,因为它只有 4 对染色体,

有几十种可供观察比较的性状。自摩尔根以果蝇为实验材料,并获得了遗传

学研究方面的卓越成果之后,这种过去不引人注目的小动物,几年之内便步

入了遗传研究的宝殿。英国、日本、前苏联、德国等世界各地的科学家纷纷

向摩尔根索取果蝇,争着进行果蝇实验。

摩尔根从 1908 年起开始养殖果蝇,并以果蝇作为实验材料进行遗传研

究。从此,他和他的夫人丽莲,便终生与果蝇结下了不解之缘。1910 年 4 月

的一天,摩尔根在一个培养瓶里出乎意料地发现一只复眼完全白色的雄果

蝇,它与复眼通常是红色的天然型果蝇明显不同。这个细小而明晰的变异引

起了他的注意。摩尔根和他的同事们立即用那只白眼雄蝇和一只没有交配过

的红眼雌蝇杂交。9 天后,瓶中出现一大群果蝇,把他们放在放大镜下检查,


发现所有后代(F1)共 1237 只都是红眼果蝇。在 F1 这一代中进行自交(兄

妹交配)而产生了第二代 F2,这一代共有 4000 多只果蝇,进行检查结果发

现,有 2459 只红眼雌蝇,1011 只红眼雄蝇和 782 只白眼雄蝇。摩尔根注意

到,在红眼与白眼的分配比率上基本符合孟德尔分配定律所表明的 3∶1 关

系,红眼对白眼有显性地位。这说明红眼和白眼的事例是由孟德尔式的遗传

因子决定的。

摩尔根在上述实验中还发现了一种十分奇特的现象。他发现,在第二代

F2 雄果蝇中白眼、红眼都有,但在雌果蝇中连一只白眼的都没有。实验观察

和统计是否会有差错呢?经过多次实验,结果依然相同。就这样,摩尔根发

现了“伴性遗传”规律。按照这一规律,生物的某些特征或某些疾病,仅仅

遗传给下一代的某一性别,就像我们现在知道的血友病仅仅遗传给男性一

样。

有一次,摩尔根将一只白眼黄翅雌果蝇与一只红眼灰翅雄果蝇相配合,

10 天以后繁殖出上千只小果蝇,当他将这些小果蝇按性别、颜色分类时,发

现小果蝇中,白眼果蝇的翅膀总是黄的,而没有一个是灰色的。而并没有出

现孟德尔所假设的“自由组合”现象。摩尔根称这一现象为“性连锁”,就

是说,生物的几种性状(在这里是白眼和黄翅性状)互相连锁在一起遗传到

下一代。摩尔根的实验之所以会和孟德尔的豌豆实验不同,是由于豌豆的相

对性状刚好在不同的染色体上,所以可以自由组合,各自表现独立的性状。

但是,在大多数的情况下,同一条染色体有很多基因,这些在同一染色体上

的基因不能独立活动,而是相互连锁在一起的。凡是相互连锁在一起的基因

都一起遗传到下一代,这叫做一个“连锁群”,它们作为一个整体进行自由

组合。实验结果表明,果蝇的基因可以归为 4 个连锁群,连锁群的数目刚好

等于染色体的对数。如:玉米的几百个基因组成 10 个连锁群,它的染色体也

刚好是 10 对。在这个事实的基础上,摩尔根得出了基因位于染色体上的结

论,连锁遗传是由于连锁基因位于同一染色体上的结果。

摩尔根进一步研究认为,连锁程度或强度有赖于染色体上连锁基因间的

距离。同一连锁群中的基因并非永远“抱紧”在一起,通常的连锁遗传只是

部分的,连锁基因有时会分开。通过细胞学观察,发现在第一次减数分裂前

期中,在同源染色体配对时期,两条染色体单位之间会发生交叉现象,这标

志着两个相对连锁群的基因之间,随着染色体的交叉而发生基因有秩序的交

换,使基因重新发生组合,从而增加了遗传的变异性。摩尔根和他的同伴们,

通过大量的果蝇实验,最后终于证明:基因就像一串念珠似地一个接一个地

排列在染色体上。他们还绘制出了代表各个性状的果蝇染色体的基因排列

图。这是生物学研究史上,把基因定位在染色体上的首次成功的尝试。

1926 年,摩尔根总结了他在遗传研究中的主要发现,出版了一本很著名

的书——《基因论》,从而最终完成了他的遗传基因学说。这一学说又称为

摩尔根学说。他总结了遗传学的第三定律——连锁与交换定律,确认了基因

是在染色体上作线性排列的,并且发现了伴性遗传以及染色体与性别的关

系,从此建立了一个比较完整的遗传学理论体系——以染色体为核心的基因

论。摩尔根由于这项重大的贡献而荣获 1933 年的诺贝尔生理学及医学奖。

1934 年春天,摩尔根带着夫人丽莲和女儿伊丽莎白到达瑞典的斯德哥尔

摩领取诺贝尔奖金。在授奖仪式上,摩尔根对聚集在大厅里的优秀科学家、


外交家和社会名流发表了题为《发生学同生理学和医学的关系》演讲。他在

批判了过去有关人类遗传学中所沾染的迷信色彩之后说:现代遗传学“总有

一天会有助于诊断疾病,虽然我们现在还没有找到连锁现象的确切例证,但

是毫无疑问,将来时机一到,一定会发现千百种连锁现象,我们可以预期其

中的一些现象,一定会把可见的和不可见的遗传特征联结起来。”

60 多年后的今天,摩尔根的伟大预见已经成为现实。科学家们不仅发现

了许多由于连锁现象引起的遗传疾病,而且确认了基因的客观存在,弄清了

作为基因载体的染色体的成份、结构和功能,揭示了“遗传密码”,使遗传

学发展到了分子水平,使人们可以根据生物高分子,如核酸、蛋白质的结构

和功能的关系,解释极其复杂的生命现象了。随着科技的进步,过去对人类

威胁最大的由外部因素引起的疾病,已经越来越多的得到了控制,有些疾病

如天花、鼠疫、霍乱等烈性疾病基本上得以消灭或控制了。但是,由于遗传

因素引起的疾病却越来越多地被揭露出来,这些疾病都和染色体或基因的某

些变化有关。现在,摩尔根的基因理论,已经在直接为预防、诊断和治疗人

类疾病服务了。

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