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심해

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1. 개요

심해는 햇빛이 도달하지 않는 수심 200미터 이상의 바다를 의미하며, 환경, 생물, 구조, 그리고 인간과의 관계를 포괄하는 광범위한 주제이다. 심해는 극심한 압력, 낮은 온도, 염분, 그리고 빛의 부재 등 극한 환경을 특징으로 하며, 이에 적응한 다양한 생물들이 서식한다. 심해 생물들은 발광, 대형화, 시력 발달, 그리고 특수한 신진대사 방식을 통해 생존하며, 화학합성 생태계를 이루기도 한다. 심해는 자원, 오염, 어업, 채굴 등 인간 활동과 밀접하게 관련되어 있으며, 다양한 탐사 기술을 통해 연구되고 있다.

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심해
심해
해양의 수심 측정
해양의 수심 측정
정의 및 범위
깊이200 m (660 ft) 이하
특징태양광이 거의 도달하지 않는 어두운 환경
수직적 구역표층 (epipelagic)
중심심해층 (mesopelagic)
점심심해층 (bathypelagic)
심해층 (abyssopelagic)
초심해층 (hadal zone / hadopelagic)
환경 특징
수온매우 낮음
수압매우 높음
태양광이 거의 없음
먹이 공급주로 해양성 눈에 의존
생태계
생물 다양성높은 생물 다양성, 특히 심해저에서
주요 생물물고기
무척추동물
미생물
탐사 및 연구
연구 목적생물 다양성 연구, 지질학 연구, 심해 자원 탐사
탐사 방법잠수정, 원격 조종 차량 (ROV), 음향 측심기
심해 탐사 기록마리아나 해구챌린저 해연 (수심 )
에베레스트산 정상의 높이 보다 더 깊은 심해
심해 탐사선트리에스테호 잠수정 (최대 수심 )
일본해구 탐사
환경 문제
주요 위협기후 변화
해양 오염
심해 저인망 어업
심해 채굴
심해 관련 영화
관련 영화딥 씨 3D
딥 씨

2. 환경

심해는 빛, 수압, 염분, 수온 등 여러 물리적 요인에 의해 특징지어지는 환경이다.

심해는 점심해수층, 심해원양성, 초심해대로 나뉜다. 광합성이 불가능하기 때문에 식물은 이 구역에서 살 수 없으며, 열수 분출구 근처를 제외하고 유광층에서 떨어지는 유기 물질(해양 눈)에 의존하여 생물이 살아간다.

바다의 수압은 수심 10m마다 약 1기압씩 증가하기 때문에 심해 생물은 극심한 압력을 견뎌야 한다. 염분지중해홍해를 제외하고는 약 35‰(퍼밀)로 매우 일정하다.[9]

바다에서 온도 변화가 가장 큰 두 영역은 표층수와 심층수 사이의 수온약층과 심해저와 열수분출공 사이이다. 수온약층은 열대 지방에서 가장 두드러지며, 그 아래 심해는 차갑고 균질하다. 극지방의 열염순환으로 인해 찬물이 심해로 유입된다.[9] 어떤 수심에서든 온도는 장기간에 걸쳐 일정하며 계절 변화나 연간 변동성이 거의 없다.[10]

2. 1. 빛

햇빛은 중층원양대의 상부를 제외하고는 심해를 관통하지 못한다. 광합성이 불가능하기 때문에 식물은 이 구역에서 살지 못한다.[52] 심해는 수심 200미터보다 깊은 바다 부분을 가리키며, 이 깊이에서는 가시광선이 거의 차단되어 암흑의 세계가 된다. 하지만 엄밀한 측정에서는 더 깊이까지 통과하는 빛이 있으며, 그 깊이는 1,000미터에 달한다. 따라서 200~1,000미터를 약광층, 그 이하를 무광층이라고 부르는 예도 있다.[53]

붉은빛은 푸른빛보다 물 분자에 더 많이 흡수되기 때문에, 10미터 아래에서는 모든 것이 푸르게 보인다. 70미터에서는 지상의 0.1%의 빛밖에 없어 인간의 눈으로는 상당히 어두워진다. 200미터에서는 인간은 색을 느낄 수 없게 되어 회색의 세계가 된다. 400미터를 한계로 인간의 시각으로는 인지할 수 없는 세계가 된다.[48] 광합성에 필요한 태양광은 심해에는 도달하지 않으므로, 식물 플랑크톤은 심해에 존재할 수 없다. 하지만 수심 1,000미터 정도까지는 미약하게나마 햇빛이 도달하고 있으며, 심해 생물은 그것을 감지할 수 있도록 큰 을 가진 종류가 많다.

2. 2. 수압

바닷물의 압력은 수심 10m마다 약 1기압씩 증가하므로, 심해 생물이 겪는 압력은 매우 크다. 최근까지 과학계는 대부분 심해 생물에 대한 압력의 영향을 자세히 알지 못했다. 그 이유는 채집된 표본들이 수면에 도달했을 때 이미 죽거나 죽어가는 상태여서, 그들이 살았던 압력에서 관찰할 수 없었기 때문이다. 그러나 특수한 압력 유지 장치가 포함된 트랩이 등장하면서, 손상되지 않은 더 큰 후생동물들을 심해에서 양호한 상태로 회수할 수 있게 되었다.

수심이 깊어질수록 큰 수압이 작용한다. 따라서 유인 잠수정 등의 내부 기압을 지상과 같이 유지하려면, 10미터마다 1기압씩 증가하는 주변 압력에 견딜 수 있는 강도가 필요하다. 심해 생물은 이미 체내 압력이 주변 수압과 같기 때문에 심해에서는 짓눌리지 않는다. 그러나 반대로 단시간에 해상으로 끌어올리면 체내에 녹아 있던 기체가 팽창한다.[48]

2. 3. 염분

염분에는 약간의 차이가 있지만 지중해홍해를 제외하고는 생태학적으로 큰 차이는 없다. 심해의 염분은 약 35‰(퍼밀)로 매우 일정하다.[9] 염분 농도는 위도에 따라 다르며, 표층 근처에서는 3.3~3.7%로 다소 차이가 있지만, 수심이 깊어짐에 따라 위도에 관계없이 3.5% 전후의 일정 값에 가까워진다. 북쪽과 남쪽의 회귀선 부근이 가장 염분 농도가 높고, 고위도에서는 낮아지며, 특히 북극에서는 3.3% 이하로 낮아진다. 적도 부근에서는 3.5% 정도가 된다. 수심 300~1,000m 부근에서는 염분 농도가 급격하게 변하는 염분 약층이 있다.[48]

2. 4. 수온

중층원양대 상부를 제외하고는 햇빛이 심해를 관통하지 못하므로, 광합성이 불가능하여 식물은 이 구역에서 살 수 없다.[9] 바다에서 가장 크고 빠른 온도 변화가 나타나는 두 영역은 지표수와 심층수 사이의 전이대인 수온약층 및 심해저와 열수분출공에서의 뜨거운 물 흐름 사이이다.[9] 수온약층의 두께는 수백 m에서 거의 1000m까지 다양하다. 수온약층 아래 심해는 차갑고 수괴는 훨씬 더 균질하다. 수온약층은 열대 지방에서 가장 두드러지며, 표층 수온은 일반적으로 20°C 이상이다. 수심 200~1000m에서는 깊이에 따라 수온이 내려가며, 수심 3000m~4000m 이하에서는 0°C~3°C를 나타낸다. 이러한 찬물은 극지방의 열염순환에서 비롯된다.[9]

어떤 수심에서든 온도는 장기간에 걸쳐 실질적으로 일정하며 계절 변화가 없고 연간 변동성도 매우 적다. 지구상의 다른 어떤 서식지도 이처럼 일정한 온도를 가지고 있지 않다.[10]

상부 점심해대에서는 수온이 급격히 하강하고, 하부 점심해대에서는 더욱 완만하게 하강한다. 심해대에서는 수온이 거의 변화하지 않으며, 수심 3,000미터 이하에서는 수온이 1.5°C 정도로 일정해진다.[54]

저위도 해역에서는 수심 200 - 1,000미터 부근에서 수온이 급격하게 변하는 '''수온약층'''(thermocline)이 존재하며, 중위도 해역에서는 더운 시기에만 생긴다. 고위도 해역에서는 존재하지 않는다. 수심 300미터 부근까지는 '''혼합층'''이라고 불리는 해수가 상하로 이동할 수 있는 영역이 있으며, 여기서는 저위도 해역의 적도 직하에서는 30°C 부근, 중위도 해역은 10°C - 20°C가 되고, 고위도 해역은 표층에서 심해까지 2°C - 3°C 정도로 일정하다. 저·중위도 해역 모두 1,000미터보다 깊은 심해는 2°C - 3°C 정도로 일정해진다.[55] 열수분출공에서는 "검은 굴뚝"에서 물이 나올 때 온도가 400°C에 이를 수 있지만(높은 정수압으로 인해 끓지 않음) 수 미터 이내에 2°C~4°C로 다시 떨어진다.[11]

3. 심해의 구조

심해는 수심에 따라 여러 층으로 나뉜다. 이를 수직분포대라고 한다.


  • 중심층: 200 - 1,000미터
  • 심해층: 1,000 - 3,000미터
  • 상부 심해층: 1,000 - 1,500미터
  • 하부 심해층: 1,500 - 3,000미터
  • 심해저층: 3,000 - 6,000미터
  • 초심해층: 6,000미터 이하


이러한 구분은 학자에 따라 수치가 다를 수 있으며, 심해층을 포함하지 않는 경우도 있다.[52]

4. 심해대

수심 4,000~6,000m는 지구 표면적의 거의 절반을 차지하는 광대한 심해저이며, '''심해대'''라고 한다. 이보다 더 깊은 초심해대는 해구의 심부에만 해당하며, 바다 전체 면적의 2% 미만이다.

세계에서 가장 깊은 곳은 서태평양 마리아나 해구의 챌린저 심연으로, 해수면 아래 10920m이다.

5. 심해 생물의 특징

심해는 높은 수압, 낮은 수온, 빛이 없는 어둠 등 극한 환경이기 때문에, 심해 생물은 이러한 환경에 적응하기 위해 다양한 특징을 보인다.

바닷물의 압력은 깊이 10m마다 약 1기압씩 증가한다. 심해 생물이 서서히 자취를 감추고 심해 특유의 생물상으로 교체되는 추이대를 지나면, 식물이 전혀 살지 않는 세계가 펼쳐진다.

심해 유기체는 거의 전적으로 하루에 약 100미터씩 가라앉는 살아있는 유기물과 죽은 유기물에 의존한다.[26] 표면 생산량의 약 1~3%만이 대부분 해양 눈의 형태로 해저에 도달한다. 고래 사체와 같은 더 큰 먹이 낙하는 드물지만, 연구에 따르면 현재 생각보다 더 자주 발생할 수 있다고 한다. 주로 또는 전적으로 큰 먹이 낙하에 의존하는 청소동물이 많으며, 고래 사체 사이의 거리는 약 8킬로미터로 추정된다.[27] 촉수를 사용하여 유기 입자를 먹는 여과 섭식자도 있는데, 예를 들어 ''프레이엘라 엘레강스(Freyella elegans)''가 있다.[28]

해양 박테리오파지는 심해 퇴적물에서 영양소 순환에 중요한 역할을 한다. 전 세계 퇴적물에서 매우 풍부하다(제곱미터당 5조~1P개의 파지).[29]

미생물에게도 심해는 다소 혹독한 환경이며, 수심의 증가에 따라 개체 수가 감소한다. 광합성을 양분으로 하는 시아노박테리아류는 곧 사라지고, 표층에서는 거의 검출되지 않는 고세균류의 비율이 증가한다(1,000미터 이하에서 세균류와 고세균류의 검출 수가 거의 같아짐[56]). 이들은 배양에 특수한 조건을 필요로 하는 것이 많으며, 대부분이 배양 불가능 종이다. 예를 들어 카이코우오오소코에비가 사는 마리아나 해구에서 발견된 ''Moritella yayanosii''는 증식에 500~1,100기압의 높은 압력을 필요로 한다.

벚꽃새우, 긴수염새우, 북쪽붉은새우(아마에비), 타카아시가니, 대게, 대구, 금눈돔, 아코우다이, 멜루사 등 어구와 냉동·운반 기술의 발달에 따라 식용으로 유통되는 심해 생물이 많아, 현대인에게 의외로 친숙한 존재이기도 하다.

5. 1. 발광

햇빛이 도달하지 않는 깊은 바다에 사는 동물들은 동굴 속에서 생활할 수 있도록 진화하였다. 그 첫째는 빛을 내는 발광인데, 이것은 서로를 알아보기 위한 것으로 생각된다. 발광기의 대부분은 이들 동물의 배 쪽에 분포하고 있어서 밑에서 알아보는 데 도움이 된다. 특히 발광 오징어류의 경우는 등쪽에 빛을 받는 것으로 여겨지는 '창'이 있다. 발광어에는 발광멸, 슬로아니아매퉁이 등 여러 종류가 있으며, 갑각류 중 특히 새우류에 발광하는 것이 많다.[58]

빛이 매우 부족하기 때문에 어류는 종종 일반적인 것보다 큰 관 모양의 눈을 가지고 있으며, 간상 세포만 존재한다.[18][19] 위쪽 시야는 잠재적인 먹이의 실루엣을 찾을 수 있게 한다.[20] 그러나 먹이가 되는 어류는 포식에 대처하기 위한 적응 또한 가지고 있다. 이러한 적응은 주로 실루엣 감소, 즉 위장의 한 형태에 중점을 둔다. 이것을 달성하는 두 가지 주요 방법은 몸의 측면 압축을 통한 그림자 면적 감소[21]와 생물발광을 통한 역광 조명이다.[22][19] 이는 배쪽 발광기에서 빛을 생성하여 물고기의 아랫면이 배경광과 유사하게 보이도록 하는 방식으로 이루어진다. 더 민감한 저조도 시력을 위해 일부 어류는 망막 뒤에 반사판을 가지고 있다.[23] 전등 물고기는 이것과 발광기를 가지고 있으며, 이 조합을 사용하여 다른 물고기의 눈빛을 감지한다.[24][25]

5. 2. 대형화

심해는 수압이 높고, 수온이 낮으며, 먹이가 적어 생물이 살아가기 어려운 환경이다. 따라서 심해 생물은 이러한 환경에 적응하기 위해 대형화되는 경향이 있다.[58] 높은 압력을 견디기 위해 대사 활동을 높이고, 저온과 적은 먹이 환경에서 느리게 성장하는 대신 수명을 늘리기 위해 몸집이 커진다는 이론이 있다.[58]

일반적으로 심해어는 먹이가 부족하기 때문에 몸집이 작은 편이지만,[59] 일부 종은 예외적으로 대형화된 모습을 보인다.

5. 3. 시력 발달

빛이 매우 부족한 환경 때문에 심해어는 일반적인 어류보다 큰 관 모양의 을 가지는 경우가 많으며, 간상 세포만 존재한다.[18][19] 위쪽을 향한 시야는 잠재적인 먹이의 실루엣을 찾는 데 도움이 된다.[20] 더 민감한 저조도 시력(night vision)을 위해 일부 심해어는 망막 뒤에 반사판을 가지고 있다.[23] 수심 1,000미터 정도까지는 미약하게나마 햇빛이 도달하며, 심해 생물은 그것을 감지할 수 있도록 큰 을 가진 종류가 많다.

5. 4. 기타 적응

일반적으로 심해어들은 적은 먹이로 살아가야 하기 때문에 몸집이 작은 편이다.[59] 많은 심해 생물은 부력을 위해 기체에 의존하는 대신, 주로 글리코사미노글리칸(glycosaminoglycan)으로 구성된 젤리와 같은 조직을 가지고 있어 매우 낮은 밀도를 유지한다.[17] 심해 오징어는 젤라틴 조직과 함께 대사 폐기물인 염화암모늄(ammonium chloride)으로 채워진 부력실을 결합하기도 한다.

중층대 어류는 크기가 작고(25cm 미만), 신진대사가 느리며, 먹이를 찾기보다 기다리는 것을 선호한다. 몸은 길고 근육과 골격 구조가 약하며 물기가 많다. 종종 연장 가능한 턱과 뒤로 굽은 이빨을 가지고 있다. 희소한 분포와 빛 부족으로 인해 짝을 찾기 어려워 많은 유기체가 자웅동체이다.

6. 화학합성 생태계

1970년대부터 여러 나라에서 진행된 심해 탐사에 의해, 천해의 생산물에 의존하지 않는 독립적인 생태계가 존재하는 것이 밝혀졌다. 이 생태계를 화학합성 생태계라고 한다.

해령이나 해저 화산 주변에 있는 열수 분출구에서는 300℃ 이상의 열수가 분출하고 있다. 그 주변에는 열수에 포함된 황화수소나 수소를 에너지원으로 하여 생존하는 화학합성세균이나 고세균이 번식하고 있다. 이들을 체내에 공생시키는 튜브웜(하オリ무시)이나 시로우리가이, 세균을 먹이로 하는 카이레이츠노나시오하라에비, 그리고 그러한 생물들을 먹이로 하는 말미잘, 신카이코시오리에비, 유노하나가니, 겐게 등이 세계 각지의 열수 분출공에서 속속 발견되고 있다.[39] 열수 분출구 주변에서 발견될 수 있는 복잡한 군집을 지탱하는 것은 바로 이러한 화학합성이다. 이러한 복잡한 군집들은 에너지 공급을 위해 태양광에 의존하지 않는 지구상의 몇 안 되는 생태계 중 하나이다.[36][37] 한 예로 관벌레 ''Riftia''와 화학합성 박테리아 사이의 공생 관계가 있다.[38]

생물의 서식 밀도는 일반적으로 연안에서 멀어질수록 낮아지지만, 열수 분출공 주변은 고밀도로 생물이 서식하고 있다.

7. 심해와 인간

심해는 자원 개발, 환경 오염, 기후 변화 등 인간 활동의 영향을 받고 있다.

8. 심해 탐사

달보다 심해에 대해 더 많이 알려져 있다는 주장이 제기되기도 했지만, 이는 1953년 당시 해저 수심 측량 자료 부족에 따른 오해이다.[46] 심해는 여전히 지구상에서 가장 탐사가 덜 된 지역 중 하나이다.[47] 1970년대부터 여러 국가들이 심해 탐사에 나서면서 새로운 수산 자원, 광물 자원, 생물종, 메탄하이드레이트, 망간단괴, 코발트크러스트, 열수광상 등이 발견되었지만, 여전히 미지의 세계라고 할 수 있다.

8. 1. 심해 탐사 기술

달보다 심해에 대해 더 많이 알려져 있다는 주장이 있지만, 이는 1953년 당시 해저 수심 측량 자료 부족에 따른 오해이다.[46] 심해는 여전히 지구상에서 가장 탐사가 덜 된 지역 중 하나이다.[47]

심해 탐사는 높은 수압 때문에 어려움이 많다. 수심이 약 10미터 깊어질 때마다 압력은 약 1기압씩 증가하며, 심해에서는 1,000기압 이상에 도달하기도 한다. 이러한 극한 환경은 탐사 장비뿐만 아니라 심해 생물 연구에도 큰 어려움을 준다.

심해 탐사에는 미끼를 단 카메라, 유인 잠수정, 원격 조종 수중 로봇(ROV) 등 다양한 기술이 사용된다.

자율 착륙선(RV 카하로아)의 작동과 심해 연구에서의 사용에 대한 설명; 보이는 물고기는 심해그레나디어 (''Coryphaenoides armatus'')이다.

주요 심해 탐사선

국가탐사선 종류이름잠항 심도비고
일본유인 잠수정심해 65006,500m1990년 완성, 3명 탑승 (조종사 2명, 관측자 1명), 2040년대 설계 수명.
일본무인 잠수정가이코11,000m (현재 7,000m)2013년 완성, 모선과 케이블 연결, 2003년 사고로 비클 손실, 현재 UROV7K 개조하여 사용.
일본자율형 무선 탐사기유메이루카-케이블 없이 장시간 항행, 우라시마는 317km 연속 항행 성공.
미국유인 잠수정알빈호(Alvin)4,500m1964년 완성, 3명 탑승 (조종사 1명, 관측자 2명), 내구성이 뛰어남.
러시아유인 잠수정미르6,000m타이타닉호 촬영.
스위스 (설계)유인 잠수정바티스카프 트리에스테10,900m1953년 진수, 안전성에 중점.
호주, 미국유인 잠수정딥씨챌린저10,908m2012년 제임스 카메론 감독이 마리아나 해구 챌린저 해연 도달.


8. 2. 기타 국가의 심해 탐사선

미국의 알빈은 수심 4,500미터까지 잠항할 수 있는 유인 심해 탐사선이다. 조종사 1명과 관측자 2명, 총 3명이 탑승할 수 있다. 1964년에 완성되었지만, 내구성이 뛰어나 여전히 현역으로 활동하며 수많은 발견을 해왔다. 전 세계 모든 심해 탐사선의 잠수 시간을 합쳐도 알빈의 잠수 시간에 미치지 못한다.[57]

러시아의 미르는 6,000미터까지 잠항할 수 있는 유인 심해 탐사선이다. 심해에 침몰한 타이타닉호를 촬영한 것으로도 알려져 있다.[57]

일본은 유인 심해 탐사선으로 심해 2000과 심해 6500을 소유하고 있다. 2003년에 퇴역한 심해 2000을 대신하여 현재는 심해 6500이 운용되고 있다. 심해 6500은 수심 6,500미터까지 잠항 가능하며, 1990년에 완성되었다. 조종사 2명과 관측자 1명, 총 3명이 탑승할 수 있다. 약 초속 0.7미터로 잠수하여 수심 6,500미터까지 약 2시간 만에 도달하며, 1회 잠항 시간은 약 9시간이다. 2040년대에 설계 수명을 맞이한다.[57]

일본은 무인 심해 탐사기로 가이코, 「UROV7K」, 「딥 투(Deep Tow)」, 하이퍼돌핀 등을 소유하고 있으며, 이 중 가이코가 가장 깊이 잠항할 수 있다. 2013년에 완성된 가이코는 원래 모선인 「런처(발사기)」와 자선인 「비클(자동차)」로 구성되어 있었다. 두 장치가 연결된 상태로 수심 7,000미터까지 잠항하고, 비클을 분리하면 수심 11,000미터까지 잠항할 수 있었다. 그러나 2003년 케이블 절단 사고로 비클을 잃은 후, 현재는 다른 무인 탐사기인 「UROV7K」를 개조하여 비클 대용으로 사용하고 있다. 「UROV7K」의 잠항 심도가 7,000미터이기 때문에 현재는 「가이코 7000」으로 운용 중이다. 7,000미터는 현존하는 세계 어떤 탐사기보다 깊은 잠항 심도이다. 가이코 런처 자체는 현재도 11,000미터까지 잠항 가능하지만, 탐사 기능은 없다.[57]

일본은 또한 자율형 무선 탐사기인 유메이루카를 소유하고 있다.[57] 유메이루카는 케이블 연결 없이 장시간 항행이 가능하며, 주로 해저 자원 조사를 수행한다. 자율형 탐사기 우라시마는 317km의 연속 항행에 성공했다. 진베이와 오토히메는 주로 지구 환경 조사를 수행한다.[57]

1953년에 진수한 바티스카프 트리에스테는 스위스에서 설계된 유인 잠수정으로, 수심 약 10,900미터까지 잠항한 기록을 가지고 있다. 그러나 안전하게 깊이 잠항하는 것에 중점을 두었기 때문에, 이후 개발된 잠수정에 비해 지속성과 다용도성 면에서는 뒤떨어졌다.[57]

딥씨챌린저는 세계에서 가장 깊은 바다 밑바닥인 마리아나 해구챌린저 해연 탐사를 위해 설계된 유인 심해 탐사정이다. 2012년 3월 26일, 캐나다 영화 감독 제임스 카메론이 조종하여 최심점에 도달했다.[57]

참조

[1] 서적 In Ecosystems of the World 28, Ecosystems of the Deep Sea Elsevier
[2] 웹사이트 What is the "deep" ocean? : Ocean Exploration Facts: NOAA Office of Ocean Exploration and Research https://oceanexplore[...] 2022-09-29
[3] 논문 Shedding Light on Deep-Sea Biodiversity—A Highly Vulnerable Habitat in the Face of Anthropogenic Change 2021
[4] 논문 The deep-sea under global change 2017-06-05
[5] 논문 Explaining bathymetric diversity patterns in marine benthic invertebrates and demersal fishes: physiological contributions to adaptation of life at depth 2013
[6] 논문 Fish Food in the Deep Sea: Revisiting the Role of Large Food-Falls 2014-05-07
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