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Ecologia de
Ecossistemas
história natural dos gregos: discípulo de Aristóteles, Teofrasto.
A palavra ecologia (do grego oikos, "casa") foi cunhada no século XIX pelo zoólogo alemão Ernst Haeckel, para designar a "relação dos animais com seu meio ambiente orgânico e inorgânico".
Historicamente
Thomas Malthus (populações).Darwin (evolução).
Mendel (hereditariedade).Em 1920, biólogo alemão August
Thienemann introduziu o conceito de níveis tróficos.
Tansley (1935) - ecossistema como unidade funcional básica da ecologia.1942 Lindeman, do conceito trófico-
dinâmico. Aprofundados Eugene e Howard Odum.
ODUM (1969): área da natureza, que inclui organismos
vivos e componentes abióticos, cujas interações produzem
trocas de materiais entre as partes vivas e não vivas.
“ecossistema, uma unidade funcional composta de
organismos integrados, e em todos os aspectos do meio
ambiente em qualquer área específica. Envolve tanto os
componentes sem vida (abióticos) quanto os vivos
(bióticos) através dos quais ocorrem o ciclo dos Nutrientes
e os fluxos de energia.”
Estocolmo, da Conferência das Nações Unidas sobre
o Ambiente Humano (1972).
Em 1992, 178 países participaram da Conferência das
Nações Unidas para o Meio Ambiente e o
Desenvolvimento, realizada no Rio de Janeiro.
Convenção da Biodiversidade e a do Clima, a
Declaração de Princípios das Florestas e a Agenda
21.
conservacionistas DesenvolvimentoSustentável
ONGS
ecologia é uma ciência multidisciplinar
A ecologia é uma ciência multidisciplinar, que
envolve biologia vegetal e animal, taxonomia,
fisiologia, genética, comportamento,
meteorologia, pedologia, geologia,
sociologia, antropologia, física, química,
matemática e eletrônica
Ecologia de Ecossistemas
níveis organizacionais ou abordagens de estudo: CÉLULA BIOSFERA
Visão reducionista Visão sistêmica
EcossistemaComunidadesPopulaçõesindivíduo
- complexidade +
níveis organizacionais:
Espécie (troca de material genético).
População (mesma espécie).
Comunidades (várias espécies).
Biocenose (Toda Vida)
Ecossistema = Biótopo + Biocenose
Planeta
Atmosfera - Hidrosfera - Litosfera
Biosfera (toda vida do planeta).
Visão reducionista
Visão sistêmica
surge a concepção de que a natureza funciona como SISTEMA:
combinação de partes coordenadas para um mesmo resultado
H + O2 H2O
Propriedades emergentes
Limites: definidos pelas interações, ou seja, envolve
todos os organismos que funcionem em conjunto; ou
definidos com finalidade de entendimento de partes
ou sub-sistemas.
A ecologia vegetal e a animal podem ser vistas como o
estudo das inter-relações de um organismo individual
com seu ambiente (auto-ecologia), ou como o estudo
de comunidades de organismos (sinecologia).
Ecologia de Populações.
A auto-ecologia, é experimental e indutiva.
quantificável e útil nas pesquisas de campo e de
laboratório.
A sinecologia é filosófica e dedutiva. Largamente
descritiva, não é facilmente quantificável.
hábitat: parte do ambiente onde ocorrem as trocas efetivas entre os organismos e os recursos por eles utilizados; - estrutura física característica de um determinado local que limita a existência das formas de vida- lugar normalmente habitado pelos indivíduos de uma espécie (não necessariamente só uma)
ambiente: espaço num determinado momento, tipificado pelo conjunto de fatores abióticos e bióticos (meio)
nicho: relação dos indivíduos com todos os
aspectos do ambiente: estrutura, alimentação,
fisiologia, comportamento,
Conjunto de maneiras dos organismos
adaptarem-se ao seu ambiente.
extensão, sobreposição e dimensão
Relação hábitat-nicho: endereço-profissão
recurso: substância, objeto ou condição
necessária aos organismos para sua
manutenção, crescimento e reprodução normais.
Se o recurso é escasso em relação a demanda,
é considerado limitante.
Não renovável: existe em quantidade fixa e pode
ser exaurido
Renovável: continuamente suprido pelo sistema
em taxas reguladas pelo uso
bioma:
denominação de grandes biossistemas
regionais ou subcontinentais caracterizados
por um tipo principal de vegetação ou
característica física Marcante.
Fatores ecológicos
MACROCLIMA
Estrutura trófica nos ecossistemas
Estrutura trófica nos ecossistemas
Trófica - alimentar
1- Produtores (autotróficos)
•Fotossíntese -6 CO2+ 6 H2O C6H12O6 + 6O2
Energia
•Quimiossíntese
2. Consumidores
2.1. Consumidores propriamente ditos
a) Consumidores de primeira ordem -
herbívoros
b) Consumidores de segunda ordem -
carnívoros que se alimentam de herbívoros
c) Consumidores de terceira ordem - carnívoros
que se alimentam de carnívoros
Obs. Diversívoros- alimentação variada
2.2. Recuperadores - necrófagos (abrutes,
hienas, chacais), são consumidores de 2º ou 3º
ordem.
2.3. Detrívoros - decompositores ou
saprófagos, fungos e bactérias que transformam
matéria morta em matéria orgânica ou húmus.
2.4. Transformadores ou humificadores - Matéria orgânica em húmus.
2.5. Remineralizadores - restituição ao meio
de compostos inorgânicos, completam os ciclos
biogeoquímicos.
2.6. Fixadores de azoto - Fixadores de N2.
Fonte de Carbono ou energia é retirada da
matéria orgânica ou parte de vegetais
(heterotróficos) e N2 da atmosfera (autotróficos).
Fluxo de energia
Fluxo de energia•Radiação Solar
•ultravioleta de 280 a 380 nm•espectro visível 380 a 780nm•infravermelho 780 a 3.000 nm
•Fotossíntese - Energia ativa (1%)
•Respiração
6 CO2+ 6 H2O C6H12O6 + 6O2
EnergiaLUZ
Compostosorgânicos
CO2+ H2OCompostos orgânicos Energia
ATP
+ O2
(água) + (dióxido de carbono) + (nutrientes)
(material orgânico) + (oxigênio)
(água) + (dióxido de carbono) + (nutrientes)
(material orgânico) + (oxigênio)
FOTOSSÍNTESE
RESPIRAÇÃO
Princípios básicos Primeiro Princípio da TermodinâmicaConservação da energia Assim como na conservação da massa, a energia também se conserva, sendo transformada de uma forma em outra.. A energia térmica dissipada também é uma das formas de energia que se deve somar às outras
Segundo Princípio da Termodinâmica
Em todo processo de transformação de energia há perda na forma de calor.Perdas na passagem de um nível trófico a outro .O fluxo de energia se distingue do fluxo de massa, pelo fato de a energia não poder ser reciclada, como a matéria. Assim, a energia tem um fluxo determinado: a energia flui do corpo quente para o corpo frio e nunca no sentido inverso. O primeiro cientista a enunciar este princípio foi Sadi Carnot, um engenheiro francês que se dedicou ao estudo do rendimento de máquinas e que constatou que este rendimento era sempre menor que 100%, ou seja, não há moto perpetuo.
Pelo segundo princípio da termodinâmica a entrada de energia no sistema será sempre maior que a saída de energia no moinho, embora a soma da energia de saída mais as energias dissipadas seja igual à energia de entrada. a quantidade de energia do moinho menor que aquela necessária para alimentar a bomba
E no Planeta ??????
E = entrada de energiaLA = luz absorvida pelos vegetaisPB = produção primária brutaPL = p.p. líquida
NU = e. não utilizada (armazenada ou exportada)NA = e. não absorvida (egerida)R = respiraçãoP = produção secundária
Biomassa
Biomassa – Abundância dos organismos no ecossistema, pode exprimir-se pela densidade, peso ou conteúdo energético (calorias).Matéria orgânica total do ecossistema•Matéria viva•Necromassa – órgãos mortos ligados a planta.•Matéria morta no solo•HúmusA fitomassa aérea pode ser medida•Peso fresco e peso seco•Análise de dimensões•inventários
E no Planeta ??????Lei da Conservação de Energiaa energia que flui para dentro de um sistema é igual à energia adicionada ao depósito mais aquela que flui para fora do sistemaLei de Dispersão de Energiaa disponibilidade para que a energia realize algum trabalho se esgota devido à sua tendência à dispersão (se degrada).
SISTEMA FLORESTAL
Animal
BOSQUE DE PINHEIROS
TRANSAÇÃO MONETÁRIA.
EcossistemaEcossistema Biomassa total Biomassa total t/hát/há
Matéria Org. Matéria Org. solo t/hasolo t/ha
TundrasTundras 5~285~28 3,5~83,53,5~83,5
Taigas do Sul Taigas do Sul PinusPinus
280280 44,844,8
Floresta Floresta equatorial equatorial
pereneperene
> 500> 500 2,02,0
Cadeias alimentares
Cadeias alimentares
estrutura trófica
Cadeias alimentares:Transferência de energia da fonte aos consumidores finais
Pirâmides de números, biomassa e energia -
Cadeia de pastagem: plantas - herbívoros - carnívoros
Cadeia de detritos: MO não viva - detritívoros - predadores
CICLOSBIOGEOQUÍMICOS
Os elementos químicos tendem a circular na biosfera
(ambiente organismos).
• reservatório depósito: não biológico.
• reservatório de troca: entre organismos e ambiente.
Do ponto de vista da biosfera:
• tipos gasosos: depósito na atmosfera e/ou
hidrosfera.
• tipos sedimentares: depósito na crosta terrestre.
AMBIENTE ORGANISMOSRELAÇÕES
Sabe-se que 30 a 40 elementos são necessários
aos organismos (C, H, O).
• macronutrientes: N, P, K, S, Ca, Mg
• micronutrientes: Zn, Bo, Cu, Mn, Fe.
Na natureza os elementos quase nunca estão
distribuídos de maneira homogênea e nem se
encontram presentes em todos ecossistemas
sob a mesma forma química.
Os elementos podem estar disponíveis ou
indisponíveis (temporariamente).
Ciclo biogeoquímico e diagrama de energia
Os elementos são reutilizados várias vezes, em
média uma molécula de CO2 permanece na
atmosfera por 8 anos antes de ser reassimilada.
Os ciclos estão normalmente em um equilíbrio
dinâmico.
As vezes tornam-se desequilibrados, quando
são acumulados ou removidos do sistema.
Pode ser de maneira natural (carvão, turfa etc.)
ou por ação antrópica (agricultura).
O movimento de um elemento entre os
organismos vivos ocorre em períodos de tempo
variados, de minutos a vida inteira do organismo. Os elementos podem estar tanto na forma
orgânica como inorgânica. O homem tem influenciado grandemente este
fluxo, como por exemplo com a queima dos
combustíveis fósseis. No modelo de compartimento do ecossistema
os elementos são analisados como ocupando
compartimentos dentro deste sistema.
Modelo de compartimento dentro do ecossistema.
O CICLO DA ÁGUA
O CICLO DA ÁGUALocalização % Tempo de residência Lagos 0,01 10 anos Rios 0,016 2 semanas Umidade do Solo 0,005 2 sem. a 1 ano Subterrânea 0,61 2 sem. a 10 mil anos Mares interiores 0,008 10 anos Atmosfera 0,001 10 dias Gelo 2,1 10 a 1.000 anos Oceânos 97,25 400 anos
Importância:
•A água é um dissolvente natural de sais inorgânicos
(NaCl), compostos orgânicos (glicose) e de gases
(CO2, O2), de cátions (Na, K) e anions (Cl).
•Fotossíntese
•Termoestabilizador
Fluxo no ecossistema:
• Evaporação;
•Transpiração
• precipitação
Água subterrânea
Qual a relação entre o ciclo das águas e os demais ciclos?
Qual a relação entre o ciclo das águas e o fluxo de
energia?
Qual é o tipo de água mais importante para o
ecossistema?
A água esta distribuída de maneira uniforme nos
ecossistemas? Quais as conseqüências disto?
Como o homem afeta este ciclo e quais as
conseqüências?
Ciclo das águas e agricultura? Matéria Orgânica? Tipo de
cultivo? Transgênicos?
CICLO DO CARBONO
CICLO DO CARBONOEvolução da atmosfera: CO2 O2
FOTOSSÍNTESE RESPIRAÇÃOTrês grandes classes de processos causam a
reciclagem do carbono nos ecossistemas aquáticos e
terrestres:
1- Fotossíntese e respiração;
2- a troca física de CO2 entre a atmosfera e os
oceanos, lagos e rios. Ex. os oceanos contém 50 vezes
mais CO2 que a atmosfera.
3- A dissolução e precipitação (deposição) de
compostos de carbono como sedimentos
(calcário, dolomita);
Decomposição parcial de vegetais e animais
formam os combustíveis fósseis.
Queimadas e vulcões liberam CO2 para
atmosfera.
• EFEITO ESTUFA
Ciclo do Carbono (bilhões de toneladas métricas) Dióxido de Carbono atmosférico (640)
Total de CO2 dissolvido(30.000)
Alga (5)
Animais
Bactérias,Orgânico(1.500)
Calcário, dolomita (18.000.000)
Vulcões (2)
Dep
osiç
ão (<
1)
OCEANOS
Dis
solu
ção
(<1) Assimilação
(50)
Respiração (50)
Troca (84)
Carvão, óleo, gás natural
Ciclo do Carbono (bilhões de toneladas métricas) Dióxido de Carbono atmosférico (640)
Animais
Matéria orgânica morta (700)
Calcário, dolomita (18.000.000)
TERRA
Respiração (35)
Assimilação (35)
Bactériase fungos
Plantas (450)
Carvão, óleo, gás natural (25.000.000)
OCEANOS
Sedimentação (<1) Com
bust
ão (<
1)
Ecossistemas aquáticos:
Carbono Orgânico total (COT).
1- Carbono orgânico detrital (material orgânico em
suspensão, detrito orgânico particulado).
• carbono orgânico dissolvido (COD); origina-se
principalmente da decomposição de plantas e animais.
Principalmente proteínas, lipídios e compostos
húmicos.
• carbono orgânico particulado detrital (COP-detrital);
Sedimentos, decomposição por bactérias.
2- Carbono orgânico particulado da biota (COP-
biota); pequena fração do carbono orgânico
particulado. Determinado junto com o carbono
orgânico detitral (carbono orgânico particulado
total);
Principais formas de carbono orgânico dissolvido:
1- Substâncias húmicas:
biopolímeros contendo grupos fenólicos que tem
origem principalmente no fictoplantom, sendo:
ácidos húmicos; ácidos fúlvicos e humina.
2- Substâncias não húmicas:
a- Compostos nitrogenados: aminoácidos livres,
peptídeos e proteínas.
B- carboidratos solúveis (monossacarídeos,
oligossacarídeos e polissacarídeos).
C- Lipídios totais dissolvidos: triglicerídeos e ácidos
graxos;
d- Vitaminas e enzimas: excreção de bactérias e
fitoplâncton e autólise de células senescentes. Ex.
Biotina, Vitamina B1 e B12.
Importância do carbono orgânico dissolvido no
ecossistema aquático:
a) fonte de energia para bactérias e algas;
b) Interferência na produção primária, fotossíntese
(Luz) e precipitação de nutrientes como Ca.
C) Agente complexador de metais arrastando para os
sedimentos;
d) Crescimento de certas bactérias e algas (vitaminas);
e) certos compostos orgânicos excretados por algas
cianofíceas podem ser tóxicos e causar problemas
estéticos (problemas de odor e sabor).
Carbono inorgânicoNos ambientes aquáticos a difusão de gases é bastante lenta.
O CO2 pode ter várias origens: atmosfera, chuva, águas
subterrâneas, decomposição e respiração dos organismos.Pode ocorrer em sistemas aquáticos de três formas principais:
1- Carbono orgânico livre (CO2, H2CO3);
2- Íons bicarbonato (HCO3-);
3- Carbonato (CO32-).
Estas formas então fundamentalmente relacionadas com o pH do meio.
Qual a relação do ciclo do carbono com fluxo
de energia e cadeias alimentares?
Fotossíntese X Respiração (C X O).
Como a ação antrópica influencia o ciclo do
carbono?
Qual a relação entre o ciclo do carbono e o
efeito estufa??
Qual a relação entre o ciclo do carbono e
eutrofização dos ecossistemas aquáticos?
CICLO DO NITROGÊNIO
•Importante no metabolismo(formação de
proteínas).
• Está presente normalmente nas formas:
• Nitrato (NO3-);
• Nitrito (NO2-2);
• Amônia (NH3);
• íon amônio (NH4+);
• óxido nitroso (N2O);
• nitrogênio molecular (N2);
• Nitrogênio orgânicos (proteínas etc.);
SISTEMAS AQUÁTICOS (anteriores mais):
• Nitrogênio orgânico dissolvido (peptídeos, purinas, aminas, aminoácidos etc.);• Nitrogênio orgânico particulado (bactérias, fioplâncton, Zooplâncton etc.).
Tipos deLagos
NitrogênioAmoniacal
Nitratomg.L-1
Nitritomg.L-1
Oligotróficos 0,0 – 0,3 0,0 –1,0 0,0 – 0,5
Mesotróficos 0,3 – 2,0 1,0 – 5,0 0,0 – 5,0
Eutróficos 2,0 – 15,0 5,0 – 50,0 5,0 – 15,0
Classificação de lagos segundo as diferentes formas de compostos nitrogenados.
Vollenweider, 1968
CICLO DO NITROGÊNION2- 78% da atmosfera.
ATMOSFERA
SOLO PLANTAS
•Adubaçãoquímica•Chuva
•Algas e bactériasfixadoras (simbiose)
absorção
decomposiçãobactérias e fungos
bact
érias
desn
itrifi
cant
esDecom
posição
queima
Fixação do Nitrogênio
+ reduzido
+ oxidado
NOrgânico
Reduçãoassimilativa
de N
AmôniaNH3
Fixação de NRhizobium, Azotobacter
e algas azuis
N2 molecular
Óxido nitrosoN2O
NONitrito NO2
-
Nitrato NO3-
Amonificação
NitrificaçãoNitrobacterNitrococcus
ReduçãoConsumidora
de energia
Aeróbicasoxidações
liberadoras de energia
Anaeróbicas, reduçãoConsumidoras
de energia
• Nitrificação é fixação do nitrogênio por plantas , algas e bactérias.•Algumas plantas fixam o nitrogênio fazendo simbiose com bactérias (Rhizobium), formando nódulos, e estas usam o açúcar da fotossíntese como fonte de energia.• As algas azul-esverdeadas fixam o nitrogênio usando a luz solar como fonte de energia e algumas bactérias a matéria orgânica.
Várias substâncias de dejetos que contém nitrogênio, como a uréia na urina, são convertidas por bactéria em amônia, nitritos e nitratos; estes são usados novamente pelas plantas para fechar o ciclo. Alguns micróbios devolvem o nitrogênio à atmosfera como gás nitrogênio. Isto se chama desnitrificação.Para oxidar 1 miligrama de íon amônio são necessário 4,3 miligramas de oxigênio.• FOGO
Nitrogênio X eutrofização
Ação antrópica e o ciclo do nitrogênio.
CICLO DO OXIGÊNIO
•20,8 % da atmosfera
•Principais fontes•Fotossíntese•Fotólise-dissociação dos vapores de água por ação dos raios UV.
•Ozônio O3
CICLO SEDIMENTARA maioria dos elementos minerais estão mais ligados a terra e seguem um padrão básico de ciclo sedimentar (P, K, Ca, S etc.).Os principais agentes são a erosão, sedimentação, formação de montanhas, atividade vulcânica e o transporte biológico.
Diagrama do ciclo sedimentar
CICLO DO FÓSFORO
CICLO DO FÓSFOROOs organismos requerem em grande quantidade, sendo constituinte de ácidos nucléicos, membranas celulares, sistemas de transferência de energia, ossos etc.Limita a produtividade em muitos ecossistemas terrestres e aquáticos.As plantas assimilam fósforo com íon fosfato (PO4
-3). Animais excretam sais de fósforo na urina.
• Pouco solúvel em água;• A acidez afeta a disponibilidade de fósforo:
• pH baixo: liga-se na argila;• pH alto: forma outros complexos insolúveis, com Ca por exemplo;
• Em condições anaeróbias (sedimentos aquáticos) quando o Fe é reduzido do estado férrico para ferroso formando sulfetos em vez de compostos de fosfato.
• Ciclo Biológico• Ciclo Geológico• O depósito principal de fósforo são as rochas.• Atualmente uma grande quantidade está indo para os sedimentos marinhos.
Micorrizas, Eutrofização
CICLO DO ENXOFRE
• reservatórios no solo e sedimentos e menor reserva na atmosfera.• O enxofre está presente em alguns aminoácidos (cistina, metionina).• Ocorre principalmente nas formas:
• Sulfato (SO4-2) – oxidado
• Sulfitos (SO3-2) – mais reduzida
• íon sulfeto (S2-)• gás sulfídrico (H2S)• dióxido de enxofre (SO2)• ácido sulfúrico (H2SO4)• molecular (S)• associado a metais (FeS)
Ciclo do enxofre ligando o ar, a água e o solo.
• recuperação dos sedimentos pela ação de microrganismos que forma gás sulfídrico.• Interação do ciclo geoquímico (erosão, sedimentação, lixiviação etc.) e processos biológicos.• Relação do ar, água e solo na regulação do ciclo.• Relação do enxofre com nitrato e fosfato.• Os ciclos do enxofre e nitrogênio então cada vez mais afetados pela poluição industrial (NOx e SO2).
ESTUDOS QUANTITATIVOS DOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
Os ritmos de transferência de um lugar para outro são mais importantes na determinação de estrutura e função de um ecossistema do que as quantidades presentes em qualquer momento e em qualquer lugar.Razão de renovação: é a fração do quantitativo total de uma substância presente num componente que é liberado ou que entra durante um intervalo de tempo. (erosão - solo em um lago).
• Tempo de renovação: é o empo necessário para repor uma quantidade de substância igual a quantidade presente no componente. • Tempo de residência: é o tempo que uma determinada quantidade de substância permanece num determinado compartimento do sistema.• São realizados bastantes estudos em lagos, por serem sistemas relativamente independentes.
Ciclo do cálcio em uma bacia hidrográfica
Kg.ha-1.ano
Atmosfera
BIOTA (203)
DEPÓSITOS ABIÓTICOS (365)
SOLO E ROCHA
Chuva (3)
50Absorção Decomposiçãoe
liberaçãoSaída dacorrente (8)
Meteorização (5)
ÁGUA (30)Mg de P/m2
SEDIMENTOS(5X105)
VEGETAÇÃO(660)
COMEDORE DEDETRITOS (175)
DETRITOS (104)
Ciclo do fósforo em um pântano
16,4 9,8
16,49,86,0
6,0
Mg de P/m3 por dia
CICLAGEM DOS NUTRIENTES ORGÂNICOS
Organismos heterotróficos e muitos autotróficos necessitam de vitaminas e outros elementos nutritivos obtidos do ambiente. Estes elementos nutritivos orgânicos circulam entre os organismos e o ambiente de forma semelhante aos elementos inorgânicos.Bactérias e algas são os principais consumidores diretos, embora animais consumidores de material filtrado podem absorver vitaminas vitaminas dissolvidas.Partículas não vivas absorvem vitaminas que por ingestão abastecem fagótrofos.
CICLAGEM DE NUTRIENTES NOS TRÓPICOS
O padrão de ciclagem de nutriente nos trópicos é em alguns aspectos diferente da zona temperada.Nas regiões frias encontra-se grande parte dos nutrientes na matéria orgânica e no solo ou nos sedimentos.Nos trópicos uma porcentagem muito maior está na biomassa e é reciclado dentro da estrutura orgânica do sistema.A monocultura e técnicas convencionais de agricultura podem ser totalmente inadequadas nestas regiões.
A ciclagem de nutrientes tendem a ser mais “físicos” na zona temperada e mais biológico nas zonas tropicais.A simbiose entre autotróficos e heterotróficos, tendo como intermediários microrganismos especiais e fundamental para ambos sistemas. Ex. micorrizas, microrganismos que degradam celulose .Micorrizas: associação entre fungos e raízes, que digerem a matéria morta e liberam nutrientes para as raízes.
VIAS DE RENOVAÇÃO DOS CICLOS
Dentro das cadeias alimentares existem duas vias principais:
• retorno por excreção (sistemas marinhos);• retorno por decomposição microbiana de detritos;
Além destas, especialmente na floresta tropical úmida, existe a via planta a planta por intermédio de fungos simbióticos e a autólise em meios aquáticos e úmidos.
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