太空生存太空生存太空生存 (54).pdf

保障人类在地外长期自治生存的生物再生生命保障系统 摘 要：人类要走出地球、迈入深空并实现长期生存，需要构建一个生物再生生命保障系统（BLSS），原位循环航天员所需要的氧气、水和食物，以尽可能减少地面物资的供给需求同时避免对外星球的污染。为此，自上世纪 60 年代开始，苏联、美国、欧空局、日本、中国等对此开展了大量研究，在 BLSS 的系统理论、植物、动物和微生物单元技术、系统设计构建与长期运行调控技术等方面取得了丰富成果，中国的“月宫365”实验已实现人在系统中密闭生存一年，系统闭合度大于 98%。然而，要真正实现 BLSS 在空间运行，仍需大量的研究工作，尤其是 BLSS 的空间实验尚未开展，空间环境对 BLSS 的整体影响不明。月球村、月球科研站等人类的探月工程将陆续开展，因此，未来的 BLSS 研究将聚焦于月球探测器搭载实验，研究空间小型无人闭合生态系统的运行规律，阐明空间环境条件对生态系统的影响，据此矫正地基 BLSS 的设计和运行参数，为 BLSS 真正应用于载人深空探测提供理论和技术支撑。关键词：生物再生生命保障系统；人工闭合生态系统；地基实验装置；地外长期生存 0 引言引言“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮里”。各国相继发布了登陆月球建立月球科研站、登陆火星等载人深空探测计划。人类要走出地球、迈入深空并实现长期生存，需要构建一个生物再生生命保障系统（Bioregenerative Life Support System，以下称 BLSS），原位循环航天员所需要的氧气、水和食物，以尽可能减少地面物资的供给需求同时避免对外星球的污染。BLSS 是以生态学原理为基础，将生物技术与工程控制技术等有机结合，构建的由人、植物、动物、微生物组成的人工闭合生态系统。BLSS 与地球表面的生态系统具备相同的生产者（植物）、消费者（人/动物）、分解者（微生物）结构，可实现人所需的氧气、水、食物等生存必需的物质循环再生，并为人提供类似地球生态系统的舒适环境（Fig.1）。BLSS 可保障人类在地外长期自治生存，是载人深空探测的关键技术之一(1)。图 1 BLSS 中的物质循环 Fig.1 Material regenerations in BLSS1 BLSS 的的理论理论和和技术体系技术体系框架框架和发展路径和发展路径 BLSS 中的理论和技术涉多学科领域，包括生物学、环境工程学、生态学、营养学、心理学、计算机科学、电子信息工程和材料科学等。BLSS 的研究发展应当基于多学科领域的知识体系与研究成果，结合 BLSS 的实际设计构建和运行需求，发展理论与技术体系，其框架如图 2（Fig.2）所示。BLSS理论与技术体系系统设计及运行与调控技术系统理论单元技术人工生态系统物质循环与能量流动空间环境对人工生态系统的影响生物单元之间关系环境因素对生物影响系统运行与调控系统启动系统设计与计算方法动物培养植物栽培废物处理微生物控制微量气体控制图 2 BLSS 理论与技术体系框架 Fig.2 Theoretical and technological system of BLSSBLSS 技术研究发展路径如图 3（Fig.3）所示。首先研究 BLSS 的单元理论和技术，再研究人工生态系统理论和技术，在此基础上建立系统的设计和构建方法，才能进入有人参与的生态系统实验研究阶段。构建 BLSS 地基实验系统，开展人作为其中生物链环的人工闭合生态系统实验研究，具有重要的里程碑意义，标志着具备在地面环境下通过生物循环再生保障人员的生存物质需求的能力。然而，要将地面技术应用于太空，还必须开展空间实验研究，以矫正地基 BLSS 的设计和运行参数。才能建立可应用于空间的 BLSS 技术，实现这一技术在空间应用的目标。图 3 BLSS 技术研究发展路径 Fig.3 The Development Path of BLSS Technologies Research 2 地基地基 BLSS 的的研究进展研究进展 鉴于 BLSS 技术对于人类地外探索的重要性，自上世纪 60 年代以来，苏联/俄罗斯、美国、欧洲、日本、中国等国家和地区相继对生物再生生命保障技术开展研究，先后建立了不同层次、多种类型的 BLSS 实验系统，开展了地基模拟实验。2.1 俄罗斯俄罗斯 在 20 世纪 60 年代，俄罗斯科学院西伯利亚分院生物物理研究所（IBP）建造了世界上第一座用于研究 BLSS 的大型地基综合实验装置BIOS 系统。该系统最初仅由一个 12 m3的舱室构成，内部装有一个 18 L 的藻类培养反应器用于空气循环再生，主要进行的是气体循环封闭实验，实验过程中需要的水和食物全部由外界提供并预先储藏在系统中。有人实验结果表明，该系统在气体循环方面可以实现部分闭合，能满足一个人约 20%的物质需求。为了进一步提高闭合性，研究人员在原系统的基础上进行了扩建，增加了一个 2.52.01.7 m3的植物生长舱，将系统升级为 BIOS-2。植物舱在保障气体净化的同时还可以提供部分食物。经过四年的系统调试并在其间开展了 90 日的封闭实验后，BIOS-2 证明气体循环能够完全闭合，其中约 25%的 O2由绿色植物来再生，其余部分由微藻来完成，系统内的水也得到了循环，总闭合度达到了 80%-85%(2)。1972 年，研究人员在上述工作的基础上建造了容积为 315 m3的系统BIOS-3，试图使物质循环实现完全闭合(3)。BIOS-3 的内部由一个乘员舱和三个植物栽培舱组成，分别于1972 年、1976 年、1983 年冬天进行 4-6 个月的有人系统实验。实验结果表明，63 m2的植物种植面积使该系统在气、水循环方面的闭合90%，并满足 3 人 40%-45%的食物需求(4)或者 2 人 70%的食物需求(5)。同时，有人实验还实现了 BIOS-3 内的植物光合作用强度随系统内环境的变化自动调整(6)。BIOS-3 在有人实验中实现了 95%的闭合度，这一记录保持了 30余年才被打破(2,6)，他们的工作为后来其他国家开展相关研究提供了有价值的参考。尽管 BIOS 系统的密闭有人实验已经在上世纪 80 年代结束，其已经充分证明了构建一个基于生物再生生命保障技术的闭合生态系统的可行性。而改进 BLSS 各个生物单元效率，提高生物单元之间的耦合程度，完善生物单元的调控策略，进一步提高 BLSS 系统的闭合度与稳定性等目标，是俄罗斯从事生命保障研究的科学家们的长期追求(7)。2.2 美国美国 在 20 世纪 60 年代初，BLSS 的研究同样引起了美国学者的极大兴趣。1966 年，美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)在 Ames 研究中心首次召开了关于开展闭合生态系统研究的研讨会，开始 BLSS 有关的研究(8)。1979 年，NASA 启动了“受控生态生命保障系统计划”(Controlled Ecological Life Support System Program，CELSS 计划)，致力于全面利用生态学和生物学方法和技术系统开展生命保障研究(9,10)。数年后，NASA 在 CELSS 基础上，环控生保系统（Environmental Control and Life Support System，ECLSS）取得的进展，面向月球、火星基地等任务进一步提出了先进生命保障（Advanced Life Support，ALS）理论(11,12)。此外，NASA 还与一些美国大学合作进行了密闭环境下的植物栽培实验，建立了生物量生产舱（BPC）在内的诸多 BLSS 实验装置，同时建立了系统设计数据库，计算确定了在 BLSS 内种植高等植物所需要的空间体积、设备重量和能耗等(8,13,14)。他们利用生物再生式行星生命保障系统测试装置(Bio-regenerative Planetary Life Support Systems Test Complex，BIO-Plex)实验得出，种植 43 m2的高等植物在正常情况下可以提供一个人 90%的食物营养需求(15)。1995-1997 年，NASA 开展了“月球/火星生命保障实验项目”(Lunar-Mars Life Support Test Project,LMLSTP)，将生物再生生命保障技术同传统的物理化学技术有机地结合起来(16)，并开展了三阶段的有人实验，其中，第一阶段实现了单人密闭生存 15 天，第二阶段实现了 4人分别密闭生存 30 天与 60 天，第三阶段实现了 4 人密闭生存 91 天，系统中的小麦提供了25%的乘员呼吸所需的氧气，小麦与生菜满足了系统乘员 5%的食用需求(17)。研究表明，高等植物与物理化学技术在空气再生方面具有很高的融合性。生物反应系统的水处理效果达到了航天员的饮用水标准(18)。此外，LMLSTP 还针对乘员心理变化开展了研究(19)。新世纪以来，NASA 开始了舱室演示模块深空居住舱(Habitat Demonstration Unit Deep Space Habitat，HDU-DSH)工程，这项工程在亚利桑那州的一处沙漠中建立了一套居住舱系统，计划分阶段进行一系列有人系统实验(20)。为了实现载人长期驻月，研制了“月球温室原型”(Prototype Lunar Greenhouse,LGH)(21)。除了 NASA 外，美国的科学家曾通过直接模拟地球生物圈的方式，尝试构建类似 BLSS用以研究地球的生态变化。1986 年，在美国亚利桑那州的沙漠区兴建了“生物圈 2 号”。系统占地 1.3 公顷，总体积达到 1.8105 m3(22)。曾有 8 名受试者在生物圈 2 号内进行 21 个月的实验。但该系统未达到基本物质(空气、水和食物)在系统水平上的质量平衡，最终导致系统大气氧浓度不断下降，食物也出现短缺，最终以乘员被迫离开“生物圈二号”为结果宣告失败(23,24)。实验失败的原因包括，忽略了 BLSS 不同于自然生态系统的事实，追求“大而全”的设计导致了各物种间的关系难以进行量化；所使用的土壤均采自同一地点，不具有地球生态系统丰富的土壤类型；所设计的各类生态系统的空间分布格局及大小比例不合理；建筑材料的吸附作用导致气体失衡等等(25)。实际上，正是因为自然生态系统内的生物间关系十分复杂，必须全面了解 BLSS 系统的稳定机制，掌握相应的调控方法，限制系统内物种数量，慎重设计 BLSS 结构，才有可能保障 BLSS 的长期稳定运行。2.3 日本日本 1988 年，日本环境科学技术研究所开始筹建一座密闭生态实验系统(Closed Ecology Experiment Facilities，CEEF)。1994 年该系统于青森县六所村开始动工兴建，1998 年完成。CEEF 系统的一个重要特点是首次引入了动物单元山羊。在结构上，CEEF 主要由密闭植物实验舱、密闭动物饲养舱、人居住实验装置三部分构成。各装置既可以独立运作，也能彼此组合开展研究，系统与外界环境之间只有能量交换和信息传递(26)。此外，它完全采用物理化学处理设备处理废物，各单元之间的物质交换也都通过物理化学设备进行(27)，并利用了计算机技术分析物质循环规律(28)。其优点是加速系统物质循环，并且利于控制，不足之处是忽略了微生物的重要作用，且系统过于庞大，需要依赖外部人员对系统进行控制。CEEF 在 2005 年至 2007 年多次开展了“人-羊-高等植物”短期密闭实验(29)，最长连续实验时间为四周。至今没有后续开展密闭实验的报道。2016 年，CEEF 更名为 EEF（Ecology Experiment Facilities），在植物培养单元开展同位素化学分析实验，将继续研究生态系统中物质循环的方式，为阐述 BLSS 系统内物质循环的机理提供参考(30)。2.4 欧洲欧洲 1989 年，由欧洲空间局(The European Space Agency，ESA)、比利时、西班牙、加拿大共同资助，正式启动了微生态生命保障系统研究计划(Micro-Ecological Life Support System Alternative，MELiSSA)(31)。多家大学、研究所和公司等机构在 ESA 技术中心的统筹管理下共同开展此项研究，并同德国、爱尔兰、荷兰和俄罗斯等多家研究机构密切合作。在初始设计中，MELiSSA 系统由相互连接的多个舱室组成，主要包括：I-废物降解室，主要由嗜热厌氧细菌反应器构成；II-光合异养食物生产室，主要由光合异养细菌反应器构成；III-硝化室，主要由亚硝化细菌和硝化细菌反应器构成；IV-光合食物生产和大气再生室，其中一部分由微藻反应器(IVA)构成，另一部分由高等植物(IVB)构成；V-乘员室(32)。这些舱室以及研究所需的设备由分布在欧洲的多所高校及科研机构设计建造并开展单元实验。MELiSSA 系统计划将实验装置整合，完整的系统将设在西班牙巴塞罗那大学。多家高校及科研机构此前已针对系统中的物质循环(33)、高效植物栽培(34)等领域开展了研究，其最终的目标是要实现系统内水、气循环的完全闭合(35)。当前 MELiSSA 项目仍然在小心稳步推进，未来将构建一个完整的有人密闭系统。2.5 中国中国 中国从 20 世纪 90 年代中期开始进行 BLSS 方面的探索性研究，诸多高校、科研院所在BLSS 的国际调研分析和关键单元技术的研究上开展了大量工作，提出了中国 BLSS 的研究方向和发展规划。自 2004 年以来，北京航空航天大学刘红教授研究团队系统深入地开展了 BLSS 研究工作，在高等植物栽培(36)、微藻培养(37)、植物不可食生物量处理(38)、水循环利用(39)、动物筛选(40)和类土壤基质制备(41)等单元技术方面做了大量的研究工作。建立了“人-莴苣-藻-蚕”地面小型实验系统，进行了中国首次有人部分参与的为期 279 天的 BLSS 地基模拟实验，乘员通过呼吸 BLSS 系统内空气的方式参与气体循环(42)。实验分析了包括植物、动物、微生物和微藻在内的各物种之间的相互关系(43-45)，为后续研究奠定了坚实的基础。2013 年10 月，中国第一个 BLSS 地基大型有人综合实验系统“月宫一号”建成，包括 1 个植物舱，1 个综合舱，总面积 100 m2，总体积 300m3，种植面积 69m2。2014 年在“月宫一号”中完成了中国首次有人高闭合度密闭实验，持续了 105 天，3 名乘员栽培了 21 种粮食、蔬菜作物，秸秆生物转化后用于培养黄粉虫，所有人员的排泄物在系统中处理，实现了 100%的氧气循环，100%的水循环和 55%的食物循环再生，系统整体闭合度 97%，成功实现了“人-植物-动物-微生物”四生物链环的 BLSS 长期稳定运行(46)。2016 年，“月宫一号”完成了技术升级，具有 2 个植物舱，1 个综合舱，总面积 160 m2，体积 500 m3，种植面积 120 m2。2017 年 5 月 10 日开始“月宫 365”实验，于 2018 年 5 月 15日圆满结束，为期 370 天。为了研究 BLSS 在长时间连续运行工况下的乘员组换班和系统机电故障对系统稳定性的影响，建立长期稳定运行的调控技术，实验设置了代谢水平不同的 2 组乘员，分三班次交替轮班。实验结果表明，“月宫一号”的 BLSS 在长期运行过程中具有良好的稳定性，系统通过自身反馈调节消除了气体扰动的影响，具有较强的鲁棒性。乘员栽培了 35 种植物，包括粮食、蔬菜作物和浆果，植物生产满足乘员植物性食物 100%需求，卫生废水净化效果达到了植物灌溉标准，尿液和固体废物循环利用。系统实现了在 4 名乘员的负荷下，氧气和水 100%循环，食物再生 83%，系统整体闭合度达到 98.2%。除了北航“月宫一号”以外，中国其它科研机构及高校亦对 BLSS 进行了研究。中国航天员科研训练中心经过多年的积累，在 2011 年建立了小型 BLSS 系统，并于 2012年 12 月 1 日完成了 2 人 30 天的短期有人封闭实验。此后与深圳市太空科技南方研究院合作，建设了大型 BLSS 地面实验装置，并于 2016 年 6 月 17 日开展“太空 180”实验，同年 12月 14 日结束，共有 4 名乘员参与，历时 180 天。“太空 180”实验实现了 100%的氧气循环、99%的水循环以及 70%的食物循环，取得了医学(47)以及物质循环(48)等方面的成果。此外，福建农业科学院采用水生生态系统，利用“人-红萍-鱼”生物链环开展了短期实验，50.4 m2的红萍基本实现了两个成年人与 200 kg 鱼的氧气需求(49)。3 空间空间 BLSS 实验研究实验研究展望展望 BLSS 发展的最终目标是实现人类在地外的长期自治生存。现有的 BLSS 有人密闭实验全部为地基综合实验，而地球表面环境与外太空环境在重力、磁场、辐射等方面存在显著的区别，因此 BLSS 要真正应用于太空中，必须要在空间环境条件下开展陆生生态系统的实验。而目前此方面尚属空白，因此下一阶段针对其在空间环境下运行状况的研究，将成为一大重点。在空间站、月球、火星等环境下开展微型陆生生态系统的长期运行实验研究，通过在空间环境下和地面环境下实验数据对比，取得校正参数和模型，校正地面大型有人实验系统获得的参数和模型，才能建立可应用于空间的 BLSS 技术。对于面向地外天体表面建设的 BLSS 而言，月球作为地球唯一的卫星，其距离地球最近，是最适合于开展 BLSS 实验的地外天体。但其被地球潮汐锁定，由此导致月面绝大部分的夜晚都长达近 14 个地球日。长时间的月夜将对在月面运行的各种设施的能源供给、热环境控制等功能提出极为苛刻的要求。对于一个在月面运行的小型 BLSS 而言，稳定的能源供给为首要需求，月面绝大多数区域都无法满足运行要求。但由于月球的自转倾角极小，且两极地区地势较为崎岖，因此在月球南北两极极点附近特别是撞击坑边缘将存在持续光照区(50)，能够提供长期且较为稳定的光能供给。在这些区域中，一年内将有至少 75%的时间处于日光照射之下，在部分位置优良地区，一年内日光照射时间占比甚至可以超过 90%(51)。相对应的，一些撞击坑底部存在永久阴影区，这些阴影区无法接受到阳光的照射，处于永久冷暗状态下，理论上有可能存在水冰(52)，并得到了证据支持(53,54)。因此，根据月球极区的环境条件，若在月面两极地区开展无人密闭生态系统运行实验，将具有以下可行性：首先，极区附近日照持续时间长的有利条件，可实现系统内植物在月面上“从种子到种子”全生长周期的培育。在月面的其它地区开展密闭生态系统运行实验，则生态系统在植物的完整生长周期中将不可避免地面临跨多个月夜的严峻考验。倘若落月位置与落月时机十分理想，则还有可能利用第一代植物产生的种子，原位培养第二代甚至第三代植物，进一步研究月面环境对植物遗传性状的影响。其次，长期且太阳高度角极小的光照条件不会导致月面环境温度处于月面其他地区的昼间极端高温、夜间极端低温的剧烈波动状况，两极地区昼间的表面温度将一直保持在一个较为稳定的状态，对于系统的热控制要求相对较低，不仅可以间接提高系统运行的可靠性，也可以进一步减轻载荷质量，减少制造与发射成本。第三，从长远来看，若要在月面构建有人大型密闭生态系统，还需要大量支持系统运行必需的物质资源，其中包括水以及植物生长基质等，这些资源如果在月面就地开采利用，则可以进一步降低月面基地的建设成本，因此在极区开展的密闭生态系统实验也可以尝试原位利用月壤、水冰等月面极区资源。尽管理论上月面极区具备开展密闭生态系统实验的基本条件，但依旧存在一系列尚待解决的问题，例如极区太阳高度角过低、外部水平光照需要汇聚、系统自动控制等。这些问题都需要在后续的月球勘测活动与地面模拟实验中加以验证，提出相应的解决方案，为后续的密闭生态系统研制与在长期密闭实验方案的制定提供更多的理论与技术依据。4 地外地外 BLSS 发展路径发展路径与评价指标与评价指标 随着 BLSS 技术的完善与成熟，未来进入地外系统建设阶段，其发展路径将可分为“三步走战略”(Fig.4)：一期 BLSS 系统构建的初期，系统中植物培养将主要采用水培方式，部分月壤/火星壤等原位资源将与系统中的废物一起处理制备类土壤基质，作为植物培养的补充手段；系统内的物化系统发挥生物再生系统的冗余和气体平衡调控功能，生物处理一部分废物，同时借助物化系统进行废物处理。此时，系统可为乘员提供全部植物性食物，氧气和水将得到完全再生。二期 随着 BLSS 的规模扩大，大量原位资源制备的类土壤基质将得到利用，这将逐渐成为类土壤基质进行植物栽培的模式；植物不可食生物量的一部分将用来培养黄粉虫等昆虫。此时，系统可为乘员提供全部植物性食物和部分动物蛋白，氧气和水将得到完全再生。三期 当 BLSS 的规模进一步扩大时，系统内的无机盐将可以实现循环利用。利用系统成员产生的固体废物，通过净化有机物后获得的含盐水构建人工海洋以养殖鱼类，通过自然析盐回收盐分。满足长期在基地工作的航天员的全部植物性食物和动物性食物的需求，水、氧气等资源的 100%生物再生循环，物化系统发挥生物再生系统的冗余和气体平衡调控功能；生物处理大部分废物，同时借助物化系统处理生物难以处理的部分废物。图 4 地外 BLSS 发展路径 Fig.4 Development path of extraterrestrial BLSS 而 BLSS 的相关标准与技术规范也需要同步建立与推进，为了评估 BLSS 的发展程度与技术水平，可考虑从如下指标进行评价：（1）氧气、水和食物（包括植物性食物和动物性食物）在系统中的循环再生率（%）；系统的物质闭合度（0-100%之间，越接近于 100%闭合度越高，自治性越高）；（2）系统运行的稳定性和可靠性；（3）满足每人的生命保障所需的能源消耗和所需的空间（kWhm3/人）；（4）满足每人的生命保障所需的设备重量(kg/人)；（5）满足每人的生命保障每名乘员所需付出的劳动强度（小时/人）。特别地，气体平衡是 BLSS 平衡的关键。在总结分析世界各国六十余年的 BLSS 系统的研究成果的基础上，我们凝练出如下的“BLSS 气体平衡三定律”，其不仅将指导构建地面的实验系统，也将指导在未来构建真正能够应用到其它星球的永久基地，是实现 BLSS 气体平衡所必须遵循的。第一定律：人的食物均来源于系统内生物合成，产生的氧气必定满足人的呼吸需求。第二定律：系统外的有机物输入，必须用系统内合成的相同呼吸商的有机物输出平衡。第三定律：生物自组织不能保持系统的平衡，必须人工干预调控。5 BLSS 技术技术发展发展展望展望 随着 BLSS 技术的不断完善与成熟，在设计上可引入大量新方法、新思维，融合利用其他领域的最新技术，进一步发展完善 BLSS 技术。例如可以利用柔性舱段技术拓展可用空间，以提供更大的生物培养区域(56)；利用杂交技术、纳米粒子(57)、植物益生菌(58)等培育生长周期更短、产量更高的植物；利用转基因技术培育废物处理效率更高的微生物；开展更深入的物质资源循环研究，将更多的物种引入 BLSS 中，不仅可以提高系统中的食物闭合度，也可以丰富舱内乘员组的食谱，进一步保证乘员组的健康(59)；利用植物园艺疗法、光周期调控以及合适的心理疏导等手段，为处于幽闭环境中的乘员组提供心理关怀(60)；基于资源原位利用的基础，合理利用目标天体当地的多种资源，减少生命保障物资运输需求(61,62)；BLSS 内环境还需要定期进行微生物清除和消毒，进行微生物的防控，以防止外部环境与舱内环境之间发生交叉污染(63,64)等等。总之，在未来更进一步的发展中，BLSS 将与月球、火星基地的实际相结合，考虑运载工具的运力需求、各生物生长周期、设备运行环境变化、航天员身心变化及当地资源原位利用等因素，也将进一步向轻量化、自动化、实时化、模块化(65)方向发展，为人类实现地外长期自治生存这一目标提供工程基础。与此同时，BLSS 的理论与技术成果不仅可以应用于太空，还可以应用于水下、地下的密闭舱室和荒漠科考站、边防哨所等生态脆弱、补给不便的地区，最小限度干扰当地环境，最大程度降低补给成本。其衍生技术例如植物栽培高效技术、植物秸秆等固体废弃物发酵技术也可以技术转移至民用领域，实现进一步提升农业效率，降低环境污染等等，具有广阔的发展前景。BLSS 在地球上的应用也将为今后太空应用积累经验。参考文献参考文献 1.Liu H,Gitelson II,Hu E,Hu D.Theory and technology of bioregenerative life support system(in Chinese).Beijing:Science Press;2009.2.Salisbury FB,Gitelson JI,Lisovsky GM.Bios-3:Siberian experiments in bioregenerative life support.Bioscience.1997;47(9):575-85.3.Sychev VN,Levinskikh MA,Gurieva TS,Podolskiy I.Biological 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