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银河系中存在 100 万个由智慧生物创造的文明?

银河系中存在 100 万个由智慧生物创造的文明?
2021-11-25 10:26:29 新京报

当埃隆·马斯克宣布火星移民计划以后,我们不免产生那个重复了上百年的疑问:地外文明真的存在吗?当我们意识到地球不再是宇宙中心,而只是一颗小小的行星时,地球还是唯一存在生命的行星吗?

当埃隆·马斯克公开介绍了自己的火星移民计划以后,人们或许对此抱以完全不同的两种看法,一些人觉得这一计划纯属异想天开,但另外一些人却对此充满期待。移民火星并在火星建立社区,真的可行吗?

《火星时代》(第一季)(2016)剧照。

《火星时代》(第一季)(2016)剧照。

1976 年,当“海盗 1 号”(Viking I)宇宙飞船抵达火星时,人们曾经抱有很大希望,觉得第一种地外生命——至少是间接表明它存在的信号——要被发现了。但事实上,它并未发现生命。

自古以来,人类便对宇宙怀有好奇,对地外文明的想象和探索也从未终止。事实上,早在1974年,天文学家卡尔·萨根就提出,仅在银河系,便存在100万个由智慧生命创造的文明。这个激动人心的观点催生了许多科幻小说或影视作品,其中对外星智慧生命特征的种种刻画,充分满足了我们内心深处对这些尚未出现的“太空邻居”的期待。

然而,随着有关地球生命起源与外星生命探索的研究不断深入,越来越多的科学证据表明,40亿年前生命在这颗蓝色行星上的起源和复杂性的演化,直至发展出今天的文明,并非任意星系中随处可见的现象,而是一种非常稀有的结果。地球这枚“暗淡蓝点”,或许真的是茫茫宇宙中唯一适合高等生命存在的家园。

在《稀有地球:为什么复杂生命在宇宙中如此罕见》一书中,古生物学家彼得·D.沃德和天文学家唐纳德·布朗利结合最新的天文物理学、天体生物学和行星科学知识指出,虽然微生物这样简单生命的活动证据不难找到,但复杂生命的演化和生存所需的条件却相当难得,如宜居带的形成、板块构造和月球在地球生命起源中所扮演的角色等,而这意味着,不光是智慧生命,就连最简单的动物在银河系甚至整个宇宙中都是极为稀有的,而这正是“稀有地球”假说。

在二人看来,地球上的缤纷生命远比我们所想象的更为珍贵,因为即便穷尽人类文明,我们也未必能接触到另一个宇宙文明。那么,果真如此吗?

以下内容经出版方授权节选自《稀有地球:为什么复杂生命在宇宙中如此罕见》,较原文有删节修改,部分小标题为编者所加。

《稀有地球:为什么复杂生命在宇宙中如此罕见》,[美]彼得·D.沃德、唐纳德·布朗利 著,刘夙 译,商务印书馆2021年9月版。

《稀有地球:为什么复杂生命在宇宙中如此罕见》,[美]彼得·D.沃德、唐纳德·布朗利 著,刘夙 译,商务印书馆2021年9月版。

稀有地球假说:简单生命有普遍性,复杂生命具稀有性

无论哪一天晚上,都有一大堆外星生命频频出现在全世界的电视机和电影院屏幕上。不管是“星球大战”系列、“星际迷航”系列还是《X档案》,传达的意思都是很明白的:宇宙中充斥着外星生命形式,有多种多样的形体构型和智力,仁慈程度也各不相同。我们的社会对外星生命显然十分迷恋,不仅期望其他行星上有生命,甚至还期望宇宙中能出现大量智慧生命,创造出外星文明。

对宇宙中其他地方存在智慧生命的这种估测偏差,部分是源于人们希望(也可能是害怕)它们存在,部分则是源于天文学家弗兰克·德雷克(Frank Drake)和卡尔·萨根(Carl Sagan)的一部现在很有名的著作,他们在此书中对我们所在的银河系中可能存在的先进文明数目提出了一种估测方法(即德雷克方程)。用这个方程加以估测的基础,是先对以下数目进行合乎学理的评估:银河系中行星的数目,其中可能有生命栖息的行星所占的比例,以及不仅存在生命而且

已经发展出文明的行星所占的比例。德雷克和萨根得出了一个惊人的结论:智慧生命在整个银河系中应该普遍存在,广泛分布。事实上,卡尔·萨根在 1974 年估计,光是我们银河系这一个星系,就可能有100 万个文明。考虑到我们银河系也只不过是宇宙中数以千亿计的星系之一,宇宙中的智慧外星物种的数目必然极为庞大。

电影《X档案:征服未来》(1998)剧照。

电影《X档案:征服未来》(1998)剧照。

银河系中存在 100 万个由智慧生物创造的文明,这是一个激动人心的观点。但它可信吗?德雷克方程的这个解隐含了一些需要检验的假设。其中最重要的一点是,它假定生命一旦在某颗行星上起源,就会演化出更高的复杂性,最终就会在很多行星上发展出文明,达到巅峰。当然,这正是我们的地球上所发生的事。在这里,生命起源于大约 40 亿年前,然后从单细胞生物演化出具有组织和器官的多细胞生物,最终出现高等植物和动物。然而,这样一种生命史——复杂性不断增加,直至演化到动物级别——是演化所不可避免的结果吗?它真是一种常见现象吗?如果它实际上只是一种非常稀有的结果呢?

不光是智慧生命,就连最简单的动物在银河系甚至整个宇宙中都是极为稀有的。我们并没有说生命是稀有的——只是说动物是稀有的。我们相信,微生物或与之形态类似的生命在宇宙中普遍存在,有可能比德雷克和萨根预计的还要普遍。然而,复杂生命——高等植物和动物——可能要比人们一般所假定的稀有得多。简单生命有普遍性,复杂生命具稀有性,我们把这两个预言合起来称为“稀有地球假说”。 

我们对地外生命的热切搜求才刚刚开始,但我们已经进入了一个非凡的发现时代。这是一个激动人心的时代,展现着新知识的曙光,自欧洲人乘着木帆船抵达新世界以来可能就没再有过这样的景象。我们也正在抵达新的世界,以日新月异的速度获取数据。旧思想在衰亡,新观念随着每一幅新的卫星图像或每一项深空探测的结果起起伏伏。在有关宇宙中的生命的众多假说中,生物学或古生物学的每一项新发现都支持或打击了其中的某些假说。

这是一个不同寻常的时代,一门新的科学——天文生物学——正在诞生。它重点关注的对象是宇宙中支持生命的条件。这个新领域的研究者有年轻人也有老人,他们拥有多种多样的学科背景。在新闻发布会上很容易见到他们的脸上露出极为热切的神情,就像在“火星探路者”获得实验结果、南极冰原上发现火星陨石、从木星卫星那里收集到新照片之后的新闻发布会上所见的那样。在通常彬彬有礼的科学会议上,情绪激动到极点;有人声名大振,有人却名誉大损;人们的希望就像在乘坐过山车,科学共识以令人目眩的速度推进和抛弃。

我们是一场科学革命的见证者,而就像任何科学革命中的情况一样,最终总会有胜利者和失败者——对观念及其支持者来说都是如此。这非常像最初发现 DNA 结构时的20 世纪 50 年代前期,或刚刚确定板块构造和大陆漂移概念的 20 世纪 60 年代。当年这两个事件都引发了科学革命,不光让与它们直接相关的学科发生了完全重组,很多与之有关联的学科也不得不做出调整,而且还打破了学科之间的边界,让我们能够用新方法审视我们自己和周边的世界。

对于目前这场最新的科学革命—— 20 世纪 90 年代以降的天文生物学革命——来说,情况也将如此。而让这场革命显得如此惊人的是,它并不是发生在科学的某个分支学科内部,比如 20世纪 50 年代的生物学或 60 年代的地质学,而是许多不同的学科交叉汇聚的结果。这些学科包括天文学、生物学、古生物学、海洋学、微生物学、地质学和遗传学,等等。

即便穷尽人类文明,我们也未必能接触到另一个宇宙文明

从某种意义上来说,天文生物学是生物学领域的推进,它不再只研究地球生命,而把地球以外的生命也包括在内。它迫使我们重新思考地球生命,将它仅仅作为生命运转的单一例子,而不是唯一例子。天文生物学要求我们打破传统生物学的枷锁,始终把整颗行星视为生态系统。它需要我们理解化石历史。它让我们思考漫长的时段,而不只是考虑此地、此时。最为根本的是,它需要我们扩展科学的视野——在时间和空间上都须如此。

正因为天文生物学革命牵涉到如此分散的学科领域,它让学科之间的很多界限解体消融。古生物学家在非洲的岩石中发现的几十亿年前的某种新生命形式,对研究火星的行星地质学家来说可以有重大意义。探测海底的潜水器所发现的化学物质,也可能让行星天文学家的计算为之改观。测定一串基因序列的微生物学家可以影响到在行星地质学家的实验室里研究木卫二(木星的卫星之一)上冻结的海洋的海洋学家的工作。

最不可能的学术联系正在建立,曾经把科学隔绝为僵硬畛域的那些可畏的学术壁垒正在打破。来自不同学科的新发现都瞄准了天文生物学的那些核心问题:生命在宇宙中有多普遍?它在哪里能存活?它能留下化石记录吗?它有多复杂?乐观主义者和悲观主义者在反复较量,电子邮件来来往往,学术会议一场一场匆匆召开,新获得的发现让研究项目迅速转向。人们抱着刻骨铭心的激动之情,为之如痴如醉,久久不能自已。研究者都沉迷于一种愈加坚定的信仰:生命在地球以外存在。

天文生物学革命让人颇感意外,因为它部分是从人们绝望之后的科学废墟上重新生发出来的。早在 20 世纪 50 年代,著名的米勒—尤里(Miller-Urey)实验就表明有机物很容易在试管中合成出来(这是模拟了早期地球环境),科学家因而认为他们已经快要发现生命起源的过程了。在这之后不久,人们在一颗刚坠落的陨星中发现了氨基酸,表明生命的原料在宇宙空间中存在。很快,射电望远镜的观测也证实了这一点,在星际云中发现了有机物的存在。构建生命的基本零件似乎遍布宇宙。显然,地外生命的存在具有现实可能性。

当“海盗 1 号”(Viking I)宇宙飞船在 1976 年抵达火星时,人们曾经抱有很大希望,觉得第一种地外生命——至少是间接表明它存在的信号——要被发现了。然而,“海盗 1 号”并未发现生命。事实上,它发现了不利于有机质存在的条件:极寒,有毒的土壤,水分的缺乏。在很多人心目中,这些发现击破了地外生命可在太阳系里发现的所有幻想。对新生的天文生物学领域来说,这是一场毁灭性打击。

差不多这个时候,还发生了另一个让人沮丧的重要事件。对太阳系外行星的第一批严肃的研究全都得到了负面结果。虽然很多天文学家相信其他恒星很可能也普遍有行星围之运转,但这仍然只能是个抽象的推理,因为在运用地面望远镜搜索之后,没有任何证据表明在我们太阳系之外还有其他行星存在。到 20 世纪 80 年代早期,人们对这个领域出现真正进展已经不抱什么希望,因为我们似乎连环绕其他恒星运转的行星都探测不出来。

然而,也就是在这个时候,一项新发现为今天由天文生物学家普遍运用的多学科交叉方法铺平了道路。 1980 年,学界宣布恐龙并非因渐进的气候变化而灭绝(这是人们长期所持的观点),而是遭受了一颗大彗星在 6500 万年前撞击地球带来的灾变效应的毁灭性打击,这成了科学上的转捩点。天文学家、地质学家和生物学家第一次有了理由,得以就一个与他们的学科都有关系的科学问题彼此展开严肃交谈。来自这些在此之前还彼此隔离的领域的研究者发现,他们竟和一群陌生的科学家同坐一桌——所有人都是被同一个问题吸引而来:小行星和彗星可以导致大灭绝吗?如今已经过去了 20 年,这同一批与会者中有一些人正在着手研究一个更大的问题,就是要看看地球以外的行星上生命现象到底有多普遍。

珀西瓦尔·洛威尔(Percival Lowell)在 1908 年绘制的火星地图。有人认为图上的线状物是由火星人建造的灌溉渠。《稀有地球:为什么复杂生命在宇宙中如此罕见》插图。

珀西瓦尔·洛威尔(Percival Lowell)在 1908 年绘制的火星地图。有人认为图上的线状物是由火星人建造的灌溉渠。《稀有地球:为什么复杂生命在宇宙中如此罕见》插图。

遥远的太空为生命在宇宙中的起源和分布提供了惊人的新线索

火星上没有生命以及无法找到太阳系外行星这两件事,一度让那些已经开始把自己视为天文生物学家的学者灰心丧气。然而,这个领域不仅涉及太空中的生命,也涉及对地球上的生命的研究。正是人们向内的打量——考察地球本身——让希望的火花重新点燃。天文生物学之所以能东山再起,很大程度上并非源于天文观测,而是因为在20 世纪 80 年代早期,人们发现生命在地球上可以存在于比以往所想严酷得多的环境中。无论是深海还是地表以下的深处,都有一些微生物生存于极端的温度和大得要命的压力中,这个发现让人豁然开朗:如果生命可以在地球上这样严酷的条件下存活,那为什么在其他行星、我们太阳系的其他天体或遥远恒星的其他行星和卫星上——或者在它们里面——就不能有生命呢? 

然而,只是知道生命可以忍受极端环境条件,还不足以让我们相信生命就一定在那里。生命不光必须能在火星、金星、木卫二或土卫六之类天体的严酷环境中生存,它还必须能在这些地方起源,或是传播到那里。我们必须证明生命不仅能在极端环境下生存,也能在极端环境下形成,否则就连最简单的生命能在宇宙中广布都成了奢望。不过在这个问题上,同样也有革命性的新发现为我们带来了乐观的期望。遗传学家近来发现,地球上最为原始的生命形式——也就是那些在我们看来很可能与地球上形成的最早生命更为近缘的生命——恰恰就是那些在极端环境中发现的忍耐性很强的生命类型。对一些生物学家来说,这意味着地球生命是在高温、高压和缺氧条件下起源的——这正是在太空其他地方可见的那类环境。这些发现让我们有信心期望生命可能真的在宇宙中广泛分布,哪怕是在其他行星系的严酷环境中。

电影《火星救援》(2015)剧照。

电影《火星救援》(2015)剧照。

我们地球上的生命化石记录也是相关信息的主要来源。我们从化石记录中获得的最能说明问题的发现之一,是生命差不多在地球的环境条件刚让它们得以生存的时候就形成了。地球表面最古老的岩石中的化学痕迹提供了强有力的证据,表明生命在大约 40 亿年前即已出现。因此,生命在地球上诞生的时间几乎达到了最早的理论极限。除非这件事完全出于机遇,否则它就意味着原始生命本身的形成——也就是从无生命物质合成——十分容易。也许只要任何行星的温度降到氨基酸和蛋白质能形成并彼此通过稳定的化学键相连的时候,生命就起源了。在这样一个层次上的生命可能一点都不稀有。

遥远的太空也为生命在宇宙中的起源和分布提供了惊人的新线索。 1995 年,天文学家发现了环绕离太阳很远的恒星的第一批系外行星。自那之后,我们已经发现了一大批新行星,每年都有更多的行星显露出身影。

电影《星际迷航》(2009)剧照。

电影《星际迷航》(2009)剧照。

曾有一段时间,有些学者甚至认为我们已经获得了地外生命的首个记录。在南极洲冰天雪地的冰原上发现的很多小块陨石,似乎都源自火星,其中至少有一块可能携带着地外起源的细菌状生物的化石遗迹。1996 年的这个发现就像一颗炸弹。美国总统在白宫宣布了这个发现,整个事件激发了人们潮水一般的努力和决心,想要在地球以外发现生命。不过,相关的证据——至少是那块陨石——争议实在太大。

所有这些发现都引向同一个结论:地球可能不是银河系中——甚至可能不是太阳系中唯一有生命的地方。可是,如果在太阳系的行星或卫星上,或是在环绕着宇宙中其他恒星的遥远行星上确实存在着其他生命,那么它是什么样的生命呢?以复杂后生动物为例,这样的生物由许多细胞和彼此配合的器官系统构成,又能表现出某种行为,我们一般就简称之为“动物”,它们出现的概率会是多大呢?对这个问题,同样有一批最新发现可以为我们提供新的见解,而可能最为睿智的洞见又一次来自地球的化石记录。

为地球化石记录中已认识到的演化进展事件更为准确地测定其时间的新方法,加上新发现的过去未知的化石类型,都表明地球上动物的出现在时间上较我们之前所想的更晚,也更为突然。这些发现显示,至少就地球上所见的情况而言,生命并不是以线性的方式逐渐发展出复杂性,而是以跃进的方式突破了一系列门槛,从而实现这种进步。细菌绝不是以稳定的步伐渐变成动物的。相反,这个过程时断时续,常试常错。虽然生命有可能在它刚能够形成的时候就差不多马上形成了,但动物的形成却要晚得多,拖延了很长时间。这些发现意味着,比起生命本身的形成,复杂生命演化出来的难度要大得多,需要常长的时间才能实现。

电影《星际迷航》(2009)剧照。

电影《星际迷航》(2009)剧照。

人们总是不假思索地以为,生命演化最后的决定性步骤就是演化出我们称为动物的生物;一旦达到了这个演化级别,动物就会经由一段长而连续的过程发展出智能。然而,天文生物学革命已经获得了另一个深刻见解,就是进展到动物阶段是一回事,但维持住这个水平却完全是另一回事。地质记录的新证据显示,复杂生命一旦形成,就要遭受无休无止的一连串行星灾难,它们造成了人们所知的大灭绝事件。这些罕见但具有毁灭性的事件可以让演化的秒表回到原点,复杂生命全毁,只有较简单的生命形式苟活下来。这些发现再一次表明,适宜复杂生命演化和存在的条件要比允许生命形成的条件苛刻得多。这样一来,虽然生命有可能在一些行星上诞生,最终也能演化出动物——但它们很快就会被全球性的灾变所摧毁。

要检验稀有地球假说——生命几乎无处不在、但复杂生命几乎无处存在的悖论——可能最终需要我们前往遥远的恒星。但我们现在连离地球稍远一点的航行都实现不了,哪怕是最近的恒星,与我们之间都有过于辽远的距离,这可能会阻碍我们去考察太阳系以外的行星系。也许这算是个悲观派的观点;可能我们最终能找到以非常快的速度旅行的方式(因此可以到达非常远的地方),比如通过虫洞或其他某些现在尚不知晓的星际旅行方法,从而能够探索银河系,甚至可能探索其他星系。

让我们不妨假设人类已经可以完成某种星际旅行,开始搜寻其他世界上的生命。什么样的星球不仅有生命栖息,还有着类似地球上的动物的复杂生命呢?我们应该寻找哪些类型的行星或卫星呢?可能最好的搜寻办法,是只寻找那些类似地球的行星,毕竟地球拥有这样丰富的生命。不过,我们是否必须找到地球的一个精确的复制品才能发现动物?我们的太阳系和地球究竟有些什么样的条件,让复杂生命不仅能够诞生,而且能如此兴盛发达?

稀有的行星?

如果我们能摆脱有关地球和太阳系的主观成见的束缚,试着从真正的“宇宙”视角去观察它们,那么我们也能开始用新的眼光来打量地球及其历史。几十亿年来,地球一直绕着一颗具有相对恒定的能量输出的恒星旋转。尽管生命仍有可能在环境最为严酷的行星和卫星上存在,但动物——比如地球上的这些——需要的并不仅是十分温和的环境,而且还要求这些环境能够在很长时间内存在并保持稳定。

《神秘博士:火星之水》(2009)剧照。

《神秘博士:火星之水》(2009)剧照。

正如我们所知,动物需要氧气。但地球花了大约 20 亿年时间才让产生的氧气积累到足够让所有动物存活的水平。如果在这个漫长的发展阶段中(哪怕是在此之后),太阳的能量输出发生了过于剧烈的变化,那么动物在地球上就几乎不会有演化出来的机会。在那些绕着能量输出不够恒定的恒星旋转的行星上,动物的出现几率要渺茫得多。很难想象动物会出现在绕着变星旋转的行星上;甚至在那些绕着双星或三合星系统中的恒星旋转的行星上也很难有这种机会,因为会有较大几率出现那种让行星骤然变热或变冷、从而毁灭早期生命的能量波动。而且,就算复杂生命能在这样的行星系统中演化出来,它恐怕也很难存活太长时间。

我们的地球还有适当的大小、化学成分和日地距离,让生命可以欣欣向荣。有动物栖息的行星与它所环绕的恒星之间必须有合适的距离,因为这个特征决定了行星是否可以让水保持液态,这显然是我们所知的动物得以生存的前提。大多数行星离它们的恒星要么太近,要么太远,都无法让液态水在其表面存在;虽然很多这样的行星上有可能生活着简单生命,但类似地球上的动物这样的复杂生命在缺乏液态水的情况下却无法长期存在。

另一个明显与地球上高等生命的出现和维持有关的因素,是我们有相对较低的小行星或彗星撞击率。我们已经提到,小行星和彗星与行星的相撞可以导致大灭绝。是什么控制了这个撞击率?是行星形成之后行星系中剩余的物质数量在影响着它:运行在与行星相交叉的轨道上的彗星和小行星越多,撞击率就越高,由撞击导致的大灭绝几率也就越大。然而,这可能并不是唯一的因素。行星系中行星的类型可能也会影响撞击率,因而在动物的演化和维持中扮演了未被人们注意的重要角色。对地球来说,有证据表明木星这颗巨行星是“彗星和小行星捕捉者”,是清除太阳系中的宇宙垃圾的重力阱,而这些宇宙垃圾本来有可能与地球相撞。木星因此降低了大灭绝事件的发生率,从而可能是高等生命得以在地球上形成并长期维持的首要原因。木星这样大小的行星的存在又有多普遍呢?

在太阳系中,地球是(冥王星之外)唯一拥有一颗与行星相比并不算太小的卫星的行星,也是唯一拥有可导致大陆漂移的板块构造的行星。我们会试图论证,这两个特性可能都是动物诞生和持续存在所需的关键条件。

一颗行星在它所在的星系中居于什么区域,甚至也起着重要作用。在星系中央满是恒星的区域,超新星爆发和恒星彼此接近的概率都可能高到了让动物发展亟需的长期而稳定的环境无法存续的程度。星系的外侧区域中所含的重元素比例可能过低,而岩石行星的构建需要这些重元素,行星内部也需要重元素衰变放射的热量来加热。就连彗星的撞击率,也可能受到我们所在的星系以及太阳系在星系中的位置影响。太阳及其行星一直在银河系中运行,但其运动总的来说主要在银河系平面内进行,我们几乎不会穿越旋臂。更有甚者,星系的质量也可能影响到复杂生命的演化几率,因为星系大小与其金属含量有关。因此,一些星系在生命的起源和演化方面可能就是比其他星系更有优势。我们的太阳——以及太阳系——的金属含量高得不同寻常。可能银河系根本就非比寻常。

最后,行星的历史与其环境条件一样,可能也部分决定了哪些行星会让生命进展到动物阶段。有多少行星,本来有可能发展出丰富的动物生命,拥有难能可贵的历史,却因为偶然事件丧失了这种潜力?小行星撞击行星表面可以导致生物大灭绝的灾难性后果。附近的恒星可能爆发为灾难性的超新星。随机的大陆板块会聚也可能造成冰期,通过偶然的大灭绝事件除灭动物。也许很大程度上只能靠运气。

自从波兰天文学家尼古拉·哥白尼把地球从宇宙中心挪开,放置在环绕太阳运转的轨道上之后,地球就遭受了一轮又一轮的贬低。我们不再居于宇宙中心,而只是栖息在一颗小小的行星上;它所环绕的恒星也又小又平凡,位于银河系中一个不起眼的区域——这是如今已由所谓“平庸原理”(Principle of Mediocrity)确立的观点;按此观点,地球绝不是唯一存在生命的行星,而是许多这样的行星中的一个。人们对其他智慧文明的数目有种种估计,从 0 到 10 万亿个不等。

然而,如果稀有地球假说是正确的,那么它会逆转这种去中心的趋势。万一拥有高等动物的地球实际上在银河系的这个区域里——比如说在最近的 1 万光年内——独一无二,最为另类呢?万一地球比这还要特殊,是银河系中甚至整个可见宇宙中唯一有动物的行星,宛如一座动物堡垒,孤立在只沾染着微生物的茫茫沧海间呢?如果真是这种情况的话,当智人因为漫不经心的管理把动植物逼上灭绝的境地时,宇宙会因为每个物种的灭绝而再次遭受多大的损失呢?

欢迎您登上这条孤舟。

(责任编辑:陈玲玲)
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