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1、,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論 生命篇（二） 現(xiàn)代生物技術(shù),第三章 現(xiàn)代生物技術(shù),一、生物技術(shù)的興起 二、基因工程及其應(yīng)用 三、細(xì)胞工程 四、克隆羊技術(shù) 五、生物芯片技術(shù) 六、人類基因組計(jì)劃 七、生物技術(shù)面臨的嚴(yán)肅課題,一、生物技術(shù)的興起,生命科學(xué)成為當(dāng)今世界自然科學(xué)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，主要由于兩方面的原因： （1）二十世紀(jì)后葉，分子生物學(xué)領(lǐng)域一系列突破性成就，使生命科學(xué)在自然科學(xué)中的地位發(fā)生了革命性的變化；（2）建立在實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)上的生物技術(shù)的發(fā)展為人類帶來了巨大的利益和財(cái)富。,,,生物技術(shù)將是未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力 第一次技術(shù)革命工業(yè)革命解放人的雙手 第二次技術(shù)革命信息技術(shù)擴(kuò)展人的大腦 第三次技術(shù)革命生物技

2、術(shù)改造生命本身 生物技術(shù)的顯著特點(diǎn)： 高技術(shù) 高效能 高投入 高利潤,1982年，國際合作與發(fā)展組織的定義為：生物技術(shù)是應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依靠微生物、動(dòng)物、植物體作為反應(yīng)器將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品為社會服務(wù)的技術(shù)。 美國政府技術(shù)顧問委員會(OAT) 的定義是：應(yīng)用生物或來自生物體的物質(zhì)制造或改進(jìn)一種商品的技術(shù)，其還包括改良有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的植物與動(dòng)物和利用微生物改良環(huán)境的技術(shù)。 該定義強(qiáng)調(diào)了生物技術(shù)的商品屬性。,生物技術(shù)的定義,基因工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)（酶）工程此外還有基因診斷與基因治療技術(shù)、克隆動(dòng)物技術(shù)、生物芯片技術(shù)、生物材料技術(shù)、生物能源技術(shù)、利用生物降解環(huán)境中有毒有害

3、化合物的技術(shù) 直接相關(guān)聯(lián)的學(xué)科：分子生物學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、化學(xué)工程學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等。 對人類和社會生活各方面影響最大的生物技術(shù)領(lǐng)域：農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、醫(yī)藥生物技術(shù)、環(huán)境生物技術(shù)、海洋生物技術(shù),生物技術(shù)的主要內(nèi)容,基因工程是指在微觀領(lǐng)域（分子水平）中，根據(jù)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)原理，設(shè)計(jì)并實(shí)施一項(xiàng)把一個(gè)生物體中有用的目的DNA(遺傳信息)轉(zhuǎn)入另一個(gè)生物體中，使后者獲得新的需要的遺傳性狀或表達(dá)所需要的產(chǎn)物，最終實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)價(jià)值。 從理論上說，包括動(dòng)物、植物和微生物在內(nèi)的任何物種都可以任意“雜交”，創(chuàng)造出兼有它們的多種特性的新種，這就意味著將來我們可理直氣壯地說“物種根本不是上帝創(chuàng)

4、造的，而是人創(chuàng)造的”。,二、基因工程及其應(yīng)用,在生物體上“施工”,基因工程與建筑工程,基因工程如何“施工”？,不同種類生物的生物特性不同，其基因工程在操作上和具體技術(shù)上必然有所差異。 但技術(shù)核心都是DNA的重組技術(shù)，又稱為分子克隆或基因克?。╣ene cloning），即利用一系列的DNA限制性內(nèi)切酶、連接酶等分子手術(shù)工具，在某種生物DNA鏈上切下某個(gè)目標(biāo)基因或特殊的DNA片段，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將其接合到受體生物的DNA鏈上。,重組DNA操作通常包括的步驟,第一步：獲得需要的目的基因（外源基因） 第二步：在限制性內(nèi)切酶和連接酶作用下與克隆載體相連接，形成新的重組DNA分子。 第三步：用重組D

5、NA分子轉(zhuǎn)化受體細(xì)胞，使之進(jìn)入受體細(xì)胞并能夠在受體細(xì)胞中復(fù)制和遺傳。 第四步：對轉(zhuǎn)化子（獲得外源基因的受體細(xì)胞）進(jìn)行篩選和鑒定。 第五步：對獲得外源基因的細(xì)胞或生物體通過發(fā)酵、細(xì)胞培養(yǎng)、養(yǎng)殖或栽培等，最終獲得所需要的遺傳性狀或表達(dá)出所需要的產(chǎn)物。,基因工程為我們帶來了什么？,由于這種分子水平的操作不受物種生存隔離的限制，能按人類的需要對有利經(jīng)濟(jì)的性狀的基因進(jìn)行組合，因此具有潛在的巨大生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。自1973年人類在實(shí)驗(yàn)室的試管里成功地進(jìn)行了第一例細(xì)菌不同DNA的重組以來，基因工程便一直受到人們的高度關(guān)注，技術(shù)在不斷的完善，也日益顯示出了其不同尋常的應(yīng)用價(jià)值。,利用基因技術(shù)稀少珍貴的蛋白質(zhì)藥

6、物,1982年，美國食品與藥物管理局批準(zhǔn)了首例基因工程產(chǎn)品人胰島素投放市場它標(biāo)志了基因工程產(chǎn)品正式進(jìn)入到商業(yè)化階段。,轉(zhuǎn)基因生物的應(yīng)用,轉(zhuǎn)基因動(dòng)物 轉(zhuǎn)基因植物 轉(zhuǎn)基因微生物,,,,,人生長激素、表皮生長因子、腫瘤壞死因子、a-干擾素、纖維素酶、抗血友病因子、紅細(xì)胞生成素、尿激酶原、白細(xì)胞介素-2、集落刺激因子、乙肝疫苗等等,例：從轉(zhuǎn)基因羊的羊奶中提取出治療心臟病的藥物tPA,夸克博士的蔬菜水果店(1),,轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物,,,種植業(yè)中的應(yīng)用,抗化學(xué)除草劑基因 轉(zhuǎn)基因西紅柿 固氮酶基因 人類DNA ,環(huán)境保護(hù)等等,細(xì)胞工程是指通過細(xì)胞水平上的篩選或改造，獲得有商業(yè)價(jià)值的細(xì)胞株或細(xì)胞系，再通過規(guī)模培養(yǎng)

7、，獲得特殊商品的技術(shù)與過程。 細(xì)胞工程包括動(dòng)物細(xì)胞工程和植物細(xì)胞工程，它們分別以動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞為主要生產(chǎn)對象，以細(xì)胞培養(yǎng)為主要過程和內(nèi)容。,三、細(xì)胞工程,動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng),利用動(dòng)物細(xì)胞工程生產(chǎn)一些藥品，如紅細(xì)胞生成素、抗血友病因子、組織纖溶酶原激活物（tPA）等等,單細(xì)胞藻類培養(yǎng),一些單細(xì)胞低等植物如單細(xì)胞藻類的大規(guī)模培養(yǎng)成為細(xì)胞工程的重要組成部分 獲得蛋白質(zhì)資源、營養(yǎng)食品、精細(xì)化工產(chǎn)品等等，利用植物細(xì)胞工程生產(chǎn)的商品種類繁多。,高等植物細(xì)胞培養(yǎng),高等植物細(xì)胞具有全能性。從高等植物的幼胚、根、莖、葉、花和果實(shí)等不同器官的組織中分離的單個(gè)細(xì)胞，經(jīng)過特殊培養(yǎng)形成愈傷組織，并可進(jìn)一步誘導(dǎo)生成完整的植

8、株。,細(xì)胞融合、細(xì)胞重組、雜交瘤技術(shù),細(xì)胞融合是將不同種類的兩種細(xì)胞經(jīng)過特殊處理后放在一起，在某些促融因子作用下發(fā)生融合，形成雜種細(xì)胞。,細(xì)胞重組是把不同種類的細(xì)胞的部件重新組合裝配，包括核的移植、葉綠體移植、核糖體重建及線粒體裝配等。 雜交瘤技術(shù)是通過細(xì)胞融合產(chǎn)生特異雜交瘤細(xì)胞，產(chǎn)生單克隆抗體。,四、克隆羊技術(shù),,核移植，就是利用一個(gè)動(dòng)物的體細(xì)胞的細(xì)胞核（供體核）來取代受精或未受精卵中的細(xì)胞核，形成一個(gè)重建的“合子”。 克隆原意是無性繁殖?？寺?dòng)物就是不經(jīng)過生殖細(xì)胞的受精過程而直接由體細(xì)胞獲得新的動(dòng)物個(gè)體，這個(gè)新個(gè)體是原核供體動(dòng)物的拷貝。 多利的誕生.WMV,277次乳腺細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)；獲得

9、29個(gè)發(fā)育為8細(xì)胞的“胚”；13頭代孕母親； 1996年7月5日，羊羔6LL3，被命名為“多莉”。,幾點(diǎn)說明,任何一個(gè)高等動(dòng)物的細(xì)胞或個(gè)體都有兩套獨(dú)立的遺傳系統(tǒng)：一套是我們所熟知的由細(xì)胞核里的全部基因所組成的遺傳系統(tǒng)，這是主要的遺傳系統(tǒng)，負(fù)責(zé)生物體結(jié)構(gòu)和細(xì)胞絕大部分的生命活動(dòng)；另一套是由細(xì)胞質(zhì)里的線粒體和葉綠體的DNA所組成的細(xì)胞質(zhì)遺傳系統(tǒng)，植物的細(xì)胞質(zhì)遺傳系統(tǒng)有線粒體和葉綠體兩種，動(dòng)物的細(xì)胞質(zhì)遺傳系統(tǒng)只有線粒體一種。 細(xì)胞質(zhì)遺傳系統(tǒng)與細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)有著密切的關(guān)系，但線粒體和葉綠體DNA上的基因是細(xì)胞核的染色體上所沒有的，因此，細(xì)胞質(zhì)遺傳系統(tǒng)的功能不能由細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)來代行。 由于動(dòng)物的精子不

10、為后代提供細(xì)胞質(zhì)，所以高等動(dòng)物的線粒體是通過母系的細(xì)胞質(zhì)來遺傳的，即其后代的所有線粒體都來自于母親，與父親無關(guān)。,（1）多利并不是與母體完全一樣的克隆,多利的細(xì)胞核來自芬蘭母羊，但線粒體DNA分析確認(rèn)了多利的線粒體來自蘇格蘭黑面母羊，由于線粒體在細(xì)胞生命活動(dòng)中具有極其重要的功能，與許多生理活動(dòng)密切相關(guān)，因此多利在生理上與其母體也會有明顯的差異。 多利的誕生顯示了用生物技術(shù)復(fù)制與母體完全一樣的個(gè)體的可能性：如果接受體細(xì)胞的去核卵與體細(xì)胞是來自于同一個(gè)個(gè)體，則所得的復(fù)制體的細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核里的基因都與母體是完全一樣的，這樣的克隆才是母體真實(shí)的復(fù)制品。 女性有可能用自身的體細(xì)胞和自身的去核卵細(xì)胞克隆出

11、與自己的遺傳組成、生理特征完全一樣的個(gè)體；而克隆技術(shù)不可能用男性的體細(xì)胞復(fù)制出與原來個(gè)體在遺傳上完全相同的克隆。,（2）即使是女性，也不可能復(fù)制出 與自身心理完全一樣的個(gè)體,心理的形成不僅與個(gè)人的遺傳相關(guān)，而且與個(gè)人的社會經(jīng)歷和社會環(huán)境密切相關(guān)。（因此，對于人這種以心智和社會性為其本質(zhì)特征的生物，用克隆技術(shù)復(fù)制不會有任何進(jìn)步的意義。）,（3）通過體細(xì)胞克隆所得到的生物體與通過正常兩性生殖產(chǎn)生的生物體在生存能力上可能會存在差別,動(dòng)物的體細(xì)胞的最多分裂次數(shù)是有限制的，而且每一次分裂都會在其染色體上留下年齡的標(biāo)記，這種母體的真實(shí)復(fù)制品的生理年齡也可能與它的實(shí)際出生年齡會不一致，即克隆動(dòng)物個(gè)體可

12、能會出現(xiàn)早衰現(xiàn)象。對多利所進(jìn)行的生理監(jiān)測似乎也表明正是如此。,克隆羊的意義,理論意義：證明已分化的高等動(dòng)物的體細(xì)胞仍然具有潛在的遺傳表達(dá)全能性，也證明了用現(xiàn)代生物技術(shù)復(fù)制或克隆高等動(dòng)物甚至人類的可能性。 12生肖已經(jīng)克隆了一半.doc,兩種意見,反對克隆人 支持克隆人 克隆人的問題.WMV,,何祚庥,是否應(yīng)該克隆人？,五、 生物芯片技術(shù),生物芯片又稱DNA芯片或基因芯片，它們是DNA雜交探針技術(shù)與半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)相結(jié)合的結(jié)晶。該技術(shù)系指將大量探針分子固定于支持物上后與帶熒光標(biāo)記的DNA樣品分子進(jìn)行雜交，通過檢測每個(gè)探針分子的雜交信號強(qiáng)度進(jìn)而獲取樣品分子的數(shù)量和序列信息。 1996年底，美國 Af

13、fymetrix 結(jié)合照相平板印刷、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、寡核苷酸合成、熒光標(biāo)記、核酸探針分子雜交和激光共聚掃描等高新技術(shù)，研制創(chuàng)造了世界第一塊DNA芯片。,生物芯片技術(shù)的一般原理,生物芯片之所以成為全世界科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)的原因,一個(gè)指甲大的地方就能建個(gè)實(shí)驗(yàn)室，診斷肝炎，醫(yī)生可以一次同時(shí)測出多種病原微生物，在極短的時(shí)間內(nèi)知道病人被哪種微生物感染，迅速醫(yī)治；想知道胎兒是否患有遺傳病，只要取少量羊水或幾滴父母血液，同時(shí)鑒別的遺傳病達(dá)數(shù)十種甚至數(shù)千種！ 這個(gè)縮微實(shí)驗(yàn)室名叫“生物芯片”。,,陳竺教授說，生物芯片最終將走入千家萬戶。,,,生物芯片大規(guī)模、高通量檢測，使個(gè)人擁有自己的基因卡成為可能，這對預(yù)防

14、醫(yī)學(xué)極為重要。也許不久的將來，上醫(yī)院看病，不僅要帶病歷卡，還要帶芯片病歷卡。盈盈方寸間，將記錄你的個(gè)人遺傳信息，對什么藥物最敏感，醫(yī)生將據(jù)此為每個(gè)人設(shè)計(jì)預(yù)防方案，通過生活方式的改變，躲開許多致命的遺傳疾病的侵襲。,最近兩年內(nèi)，基因?qū)W專家有望按照對藥物的不同反應(yīng)，將人分成若干類型，屆時(shí)便能夠準(zhǔn)確地判定出誰適合服用哪種藥。這就如同發(fā)給每人一張“基因身份證”。 基因身份證中包含著比人的指紋更為復(fù)雜、更有價(jià)值的東西。所有愿意獲取這一身份證的人都會得到如下的信息：適合于什么藥物，不適合于什么藥物；自身容易感染何種疾病，而罹患某些疾病的機(jī)會則微乎其微。 嬰兒在呱呱墜地時(shí)候便可以得到自己的“基因身份證” 。

15、美國已有人植入人體基因芯片（ “隨身攜帶”的身份證）,如果每個(gè)人在幼年時(shí)代便知道自己今后可能會患上某種重病，這是否太過殘酷和宿命了？,,六、人類基因組計(jì)劃（HGP）,1990年7月，美國將人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project，HGP）正式列入國家重大項(xiàng)目，美國國會還通過了30億美元的研究經(jīng)費(fèi)正式啟動(dòng)這個(gè)計(jì)劃，預(yù)計(jì)用15年的時(shí)間，在2005年繪出人類基因圖譜。繼美國之后，英國、日本、法國、德國、中國等18個(gè)國家相繼參與這個(gè)計(jì)劃，成為重大國際合作計(jì)劃。這是迄今為止在生命科學(xué)領(lǐng)域最宏大的研究計(jì)劃，與20世紀(jì)的“阿波羅計(jì)劃”和“曼哈頓工程”并列，也被稱為生命“阿波羅計(jì)劃”。,人類基

16、因組計(jì)劃的基本的工作，就是完成全部人類基因的測序,（1）遺傳圖譜：利用人類家族遺傳史和染色體上基因交換頻率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推斷任何兩個(gè)已知性狀的基因之間的距離，根據(jù)點(diǎn)測試驗(yàn)確定各基因在基因組中的相互位置和排列順序。 （2）物理圖譜：在特定染色體區(qū)域內(nèi)確定基因在染色體上的實(shí)際排列順序，對基因定位。,（3）序列圖譜：進(jìn)行DNA的核苷酸測序分析。找出30億個(gè)堿基對的準(zhǔn)確位置或測出30個(gè)核苷酸的整個(gè)序列，并在基因圖譜上表示出來。這相當(dāng)于在北京到上海的公路旁種30億棵樹，而且是四種樹，要把每一棵樹的準(zhǔn)確位置標(biāo)出來。這是人類基因組計(jì)劃最繁重、耗時(shí)最多的工作，是人類基因組計(jì)劃的核心部分。 （4）基因圖譜：鑒定D

17、NA上所有基因的位置、結(jié)構(gòu)、功能，分析其作用方式，解讀人類的全部遺傳信息。 基因是生命遺傳的基本單位，人類基因組包含30億個(gè)堿基對，繪制出人類基因組序列圖就意味著掌握了探索人類“生命迷宮”的路標(biāo)。這是一本人類生命的百科全書。如果把人類的全部遺傳信息都破譯，人類便在分子水平上看透了自己。,人類基因組計(jì)劃大事記,1992年，完成了對酵母3號染色體DNA的全部315357個(gè)堿基序列的測定，這是人類完成的第一條真核生物染色體DNA的全序列。 1995年，獲得了人類第3號、第16和第22號染色體的高密度物理圖。 1999年12月1日，科學(xué)家們宣布，人類第22號染色體含3.34107個(gè)堿基序列的測定已經(jīng)全

18、部完成，這是人類完成的第一條人類自身染色體的全序列測定。 2000年6月26日，美國、中國等6個(gè)國家宣布，人類基因組計(jì)劃的物理結(jié)構(gòu)全部完成，并將公開發(fā)布，中國完成了1的測序工作。,,人類基因組計(jì)劃大事記,2001年2月12日，美、日、德、法、英、中科學(xué)家首次公布人類基因組工作草圖及初步的分析結(jié)果。 2001年8月26日，人類基因組“中國卷”的繪制工作宣告完成。 2003年4月14日，中、美、日、德、法、英等國科學(xué)家宣布人類基因組序列圖繪制成功， 。 從“框架圖”到“完成圖”，人類基因組測序范圍從90提高到了99，以堿基對為基礎(chǔ)的誤差率從11000降到了110000。,人類基因組計(jì)劃的結(jié)果

19、 有3點(diǎn)出人意料之處：,一是由于技術(shù)手段的進(jìn)步，科學(xué)家的工作步伐大大加快，進(jìn)度一再提前，只用了10年多的時(shí)間，成為獻(xiàn)給新世紀(jì)的厚禮。 二是人類基因總數(shù)比預(yù)計(jì)的10萬要少得多，只有3萬至4萬，僅比果蠅多2萬個(gè)，這意味著破解人類基因的工復(fù)雜性可能會降低。,是原以為作為萬物之靈的人類，其基因會與其它物種有相當(dāng)多的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)我們?nèi)祟惻c很多物種是“親戚”。 學(xué)者們證實(shí)，人體有一半的基因與較為原始的生物如蒼蠅、爬蟲等是相同的，如此說來，蒼蠅成了我們的“遠(yuǎn)親”；包括中國科學(xué)家在內(nèi)的一個(gè)國際科研小組經(jīng)過比較后推定，人與黑猩猩在基因序列上的差異僅123%,低于原先的估計(jì)。黑猩猩成了我們的“表親”，人只不過是

20、站直了身子的猴子。不過我國科學(xué)家說，正是這123%基因，隱藏著關(guān)于人的高度智慧和能力的秘密，使的人與猩猩在職能、行為、心理和生理方面變得如此不同。國際人類基因組研究組織的這一結(jié)論轟動(dòng)了世界。,倫敦皇家協(xié)會主席羅伯特梅伊甚至斷言，人體有一半基因不是與其它生物相同，而是跟香蕉相同。 科學(xué)家推斷：進(jìn)化的實(shí)質(zhì)就是給每個(gè)基因“加碼”的過程。生物體越復(fù)雜，每個(gè)基因所生產(chǎn)的“產(chǎn)品”就越多，它的功能就越多。人與爬蟲的最大差異在于人體基因的作用比爬蟲要復(fù)雜得多，而不在于基因本身的差異。,七、生物技術(shù)面臨的嚴(yán)肅問題,基因一旦被改動(dòng)，一方面可能引起生物體內(nèi)一系列未知的結(jié)構(gòu)與功能的變化；另一方面，轉(zhuǎn)基因操作對生物體的

21、影響會通過遺傳傳遞。,轉(zhuǎn)基因技術(shù)的安全性問題,外源基因引入后，是否會影響其他重要的調(diào)節(jié)基因，甚至?xí)せ钤┗颍?轉(zhuǎn)基因技術(shù)的廣泛應(yīng)用是否會導(dǎo)致難以消滅的新病原物出現(xiàn)？ 是否會造成生態(tài)學(xué)災(zāi)難？人類生存環(huán)境異化的后果是什么？ 人類攝食大量轉(zhuǎn)基因食品是否會影響人類及其后代的健康？基因技術(shù)的安全性.MPG,克隆人的倫理問題,在克隆階段，如果有關(guān)胚胎發(fā)育的基因重新編排或啟動(dòng)不完全，對新生兒可能產(chǎn)生什么嚴(yán)重后果呢？ 兄弟、姐妹、父母、子女？ 器官克隆和干細(xì)胞培養(yǎng)和分化器官，用于醫(yī)學(xué)和臨床治療？,個(gè)人基因信息的隱私權(quán)問題,人類基因信息利用的倫理、法律和社會影響計(jì)劃，稱之為ELSI項(xiàng)目： （1）在應(yīng)用和解釋基因信息時(shí)的隱私權(quán)和公正性； （2）基因信息由實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嶋H醫(yī)療應(yīng)用的轉(zhuǎn)化； （3）人類基因組計(jì)劃參與者相互協(xié)調(diào)和成果發(fā)布； （4）公眾與專業(yè)教育,基因治療的應(yīng)用問題,一個(gè)人有權(quán)決定另一個(gè)人的基因結(jié)構(gòu)或未來命運(yùn)嗎？ 萬一這種基因操作失敗了或者造成了將來才能發(fā)現(xiàn)的不可挽回的缺陷和后果，誰承當(dāng)責(zé)任呢？ 是否可以通過基因治療操作來增加運(yùn)動(dòng)員的身高或短跑速度，這與運(yùn)動(dòng)員服用興奮劑有什么本質(zhì)區(qū)別？,生物技術(shù)引發(fā)的其它問題,生物技術(shù)費(fèi)用高，在自身健康上的貧富差距？ 涉及人類自身發(fā)展的重要生物技術(shù)的壟斷？ 生物武器？ ,有關(guān)網(wǎng)站, ,