IB BIOLOGY CORE • Kerri Humphreys • © Science Press 2016 First published 2016 Science Press Private Bag 7023 Marrickville NSW 1475 Australia Tel: +61 2 9516 1122 Fax: +61 2 9550 1915 sales@sciencepress.com.au www.sciencepress.com.au All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, without the prior permission of Science Press. ABN 98 000 073 861 Contents Words to Watch iv Introduction v Dot Points Cell Biology vi Molecular Biology vi Geneticsvii Ecology vii Evolution and Biodiversity viii Human Physiology ix Questions Cell Biology 1 Molecular Biology 63 Genetics127 Ecology 163 Evolution and Biodiversity 193 Human Physiology 225 Answers Cell Biology 292 Molecular Biology 316 Genetics337 Ecology 349 Evolution and Biodiversity 357 Human Physiology 367 Appendix Index390 Science Press Dot Point IB Biology Core iii Dot Points Words to Watch account, account for State reasons for, report on, give an account of, narrate a series of events or transactions. examine Inquire into. analyse Interpret data to reach conclusions. extrapolate Infer from what is known. annotate Add brief notes to a diagram or graph. hypothesise Suggest an explanation for a group of facts or phenomena. explain Make something clear or easy to understand. extract Choose relevant and/or appropriate details. apply Put to use in a particular situation. assess Make a judgement about the value of something. identify Recognise and name. calculate Find a numerical answer. clarify Make clear or plain. investigate Plan, inquire into and draw conclusions about. classify Arrange into classes, groups or categories. justify Support an argument or conclusion. comment Give a judgement based on a given statement or result of a calculation. label Add labels to a diagram. compare Estimate, measure or note how things are similar or different. measure Find a value for a quantity. construct Represent or develop in graphical form. plan Use strategies to develop a series of steps or processes. interpret Draw meaning from. list Give a sequence of names or other brief answers. outline Give a brief account or summary. contrast Show how things are different or opposite. predict Give an expected result. create Originate or bring into existence. propose Put forward a plan or suggestion for consideration or action. deduce Reach a conclusion from given information. define Give the precise meaning of a word, phrase or physical quantity. recall Present remembered ideas, facts or experiences. demonstrate Show by example. relate Tell or report about happenings, events or circumstances. derive Manipulate a mathematical relationship(s) to give a new equation or relationship. describe Give a detailed account. represent Use words, images or symbols to convey meaning. design Produce a plan, simulation or model. select Choose in preference to another or others. determine Find the only possible answer. sequence Arrange in order. discuss Talk or write about a topic, taking into account different issues or ideas. show Give the steps in a calculation or derivation. distinguish Give differences between two or more different items. solve Work out the answer to a problem. draw Represent by means of pencil lines. suggest Put forward an idea for consideration. estimate Find an approximate value for an unknown quantity. summarise Give a brief statement of the main points. sketch Make a quick, rough drawing of something. state Give a specific name, value or other brief answer. synthesise Combine various elements to make a whole. evaluate Assess the implications and limitations. Science Press Words to Watch iv Dot Point IB Biology Core Introduction What the book includes This book provides questions and answers for each dot point in the IB Biology Core syllabus from the International Baccalaureate Diploma Programme for Biology: • Cell Biology • Molecular Biology • Genetics • Ecology • Evolution and Biodiversity • Human Physiology Format of the book The book has been formatted in the following way: 1.1 Subtopic from syllabus. 1.1.1 Assessment statement from syllabus. 1.1.1.1 First question for this assessment statement. 1.1.1.2 Second question for this assessment statement. The number of lines provided for each answer gives an indication of how many marks the question might be worth in an examination. As a rough rule, every two lines of answer might be worth 1 mark. How to use the book Completing all questions will provide you with a summary of all the work you need to know from the syllabus. You may have done work in addition to this with your teacher as extension work. Obviously this is not covered, but you may need to know this additional work for your school exams. When working through the questions, write the answers you have to look up in a different colour to those you know without having to research the work. This will provide you with a quick reference for work needing further revision. Science Press Dot Point IB Biology Core v Introduction Dot Points Cell Biology 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.7 1.1.8 Introduction to cells Cell theory. Organisms carry out functions of life. Surface area to volume ratio. Emergent properties. Specialised tissues. Differentiation. Stem cells. Applications and skills. 3 3 5 6 9 10 11 12 14 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 Ultrastructure of cells Prokaryotes. Eukaryotes. Electron and light microscopes. Applications and skills. 21 21 25 29 31 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 Membrane structure Phospholipid bilayer. Membrane proteins. Cholesterol. Applications and skills. 34 34 36 37 37 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 Membrane transport Movement across the membrane. Endocytosis and exocytosis. Applications and skills. 38 38 39 40 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 The origin of cells Cells from pre-existing cells. Cells from non-living material. Endosymbiotic theory. Applications and skills. 43 43 44 50 52 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.6.4 1.6.5 1.6.6 1.6.7 Cell division Mitosis. Supercoiling. Cytokinesis. Interphase. Cyclins. Mutagens, oncogenes, metastasis. Applications and skills. 53 53 54 54 56 58 60 61 Answers to Cell Biology Carbon compounds. Metabolism. Anabolism. Catabolism. Applications and skills. 68 69 69 70 70 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 Water Polar and hydrogen bonds. Properties of water. Hydrophilic and hydrophobic. Applications and skills. 72 72 73 75 76 2.3 2.3.1 Carbohydrates and lipids Monosaccharides, disaccharides, polysaccharides. Fatty acids. Cis and trans isomers. Triglycerides. Applications and skills. 79 79 Proteins Amino acids and polypeptides. Polypeptides synthesised at ribosomes. Range of polypeptides. Genes code polypeptides. Proteins and polypeptides. 3-D form of proteins. Range of proteins. Proteome. Applications and skills. 89 89 90 99 99 99 100 2.5.4 2.5.5 2.5.6 Enzymes Active site. Catalysis and molecular motion. Enzymes and pH, temperature, substrate concentration. Denaturation. Immobilised enzymes. Applications and skills. 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 Structure of DNA and RNA Nucleotides. DNA different to RNA. Double helix. Applications and skills. 105 105 106 106 107 2.7 DNA replication, transcription and translation Replication semi-conservative. Helicase. 108 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 2.4.8 2.4.9 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 292 Molecular Biology 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 Molecules to metabolism 65 Molecular biology and living processes. 65 Carbon atoms. 67 2.7.1 2.7.2 81 83 84 84 91 91 92 92 94 96 96 102 102 103 108 109 Science Press Verbs Dot Points to Watch vi Dot Point IB Biology Core Dot Points 2.7.3 2.7.4 2.7.5 2.7.6 109 110 111 111 2.7.7 2.7.8 2.7.9 DNA polymerase. Transcription. Translation. Amino acid sequence and genetic code. Codons. Base pairing. Applications and skills. 2.8 2.8.1 2.8.2 2.8.3 2.8.4 2.8.5 Cell respiration Respiration releases energy. ATP in cell. Anaerobic respiration. Aerobic respiration. Applications and skills. 114 114 114 116 117 117 2.9 2.9.1 2.9.2 2.9.3 2.9.4 2.9.5 2.9.6 2.9.7 Photosynthesis Photosynthesis definition. Visible light. Absorption by chlorophyll. Photolysis. Energy to make carbohydrates. Factors limiting photosynthesis. Applications and skills. Answers to Molecular Biology 3.2.11 Applications and skills. 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.3.8 3.3.9 Meiosis 140 Meiosis and daughter cells. 140 Chromosome number halved. 140 DNA replication. 140 Early stage meiosis. 142 Homologous chromosome orientation. 142 First division meiosis. 142 Genetic variation. 142 Gamete fusion and variation. 143 Applications and skills. 143 119 119 119 120 120 121 122 124 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.4.8 3.4.9 3.4.10 Inheritance Mendel. Gametes haploid. Alleles of gene separate. Zygote diploid. Dominant alleles. Genetic diseases recessive alleles. Genetic diseases sex-linked. Genetic diseases often rare. Radiation and mutagenic chemicals. Applications and skills. 146 146 147 147 147 147 149 150 152 152 153 316 3.5 Genetic modification and biotechnology Gel electrophoresis. PCR. DNA profiling. Genetic modification and gene transfer. Clone definition. Natural cloning. Animals cloned embryo stage. Cloning methods. Applications and skills. 154 112 112 113 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 Genetics 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6 3.1.7 3.1.8 Genes Gene definition. Gene locus. Alleles. Different alleles. Alleles and mutation. Genome definition. Human Genome Project. Applications and skills 129 129 129 129 130 130 130 131 132 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.2.8 3.2.9 3.2.10 Chromosomes Prokaryote DNA. Plasmids. Eukaryote DNA. Eukaryote chromosomes. Homologous chromosomes. Diploid nuclei. Haploid nuclei. Chromosome number. Karyogram. Sex chromosomes and autosomes. 134 134 134 134 135 136 136 136 136 137 138 3.5.5 3.5.6 3.5.7 3.5.8 3.5.9 Answers to Genetics 138 154 154 156 156 157 158 159 159 160 337 Ecology 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 Species, communities and ecosystems Species definition. Reproductive isolation. Autotrophs and heterotrophs. Consumers. Detritivores. Saprotrophs. 165 165 165 167 167 167 167 Science Press Dot Point IB Biology Core vii Dot Points Dot Points 4.1.7 4.1.8 4.1.9 4.1.10 4.1.11 4.1.12 Community and populations. Community and ecosystem. Autotrophs. Nutrient cycling. Sustainability. Applications and skills. 169 169 169 169 170 170 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8 Energy flow Dependence on sunlight. Photosynthesis definition. Energy through food chains. Energy lost as heat. Living organisms and heat. Heat lost from ecosystems. Energy losses and trophic levels. Applications and skills. 174 174 174 174 175 175 175 176 178 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.3.7 4.3.8 4.3.9 4.3.10 4.3.11 Carbon cycling Autotrophs convert carbon dioxide. Aquatic ecosystems carbon. Carbon dioxide into autotrophs. Carbon dioxide and respiration. Methane and methanogens. Methane oxidised. Peat formation. Formation of coal, oil, gas. Combustion and carbon dioxide. Formation of limestone. Applications and skills. 179 179 179 179 179 180 180 180 181 181 182 182 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 Climate change Carbon dioxide and water vapour. Other greenhouse gases. Absorption of longwave radiation. Earth warmed longer wavelength radiation. Greenhouse gases and heat absorption. Global temperatures and climate patterns. Industrial revolution. Combustion of fossilised organic matter. Applications and skills. 184 184 184 185 185 4.4.5 4.4.6 4.4.7 4.4.8 4.4.9 Answers to Ecology Evolution and Biodiversity 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7 Evidence for evolution Evolution definition. Fossil record. Selective breeding. Homologous structures. Populations diverge. Continuous variation. Applications and skills. 195 195 195 196 197 198 198 199 5.2 5.2.1 5.2.2 Natural selection Need for variation. Mutation, meiosis and sexual reproduction. Adaptations. Overproduction offspring. Some individuals survive. Characteristics inherited. Natural selection and character frequency. Applications and skills. 201 201 201 206 206 207 207 208 211 211 211 212 5.3.9 Classification of biodiversity Binomial system. Naming new species. Taxonomy. Three domains. Seven levels of taxa for eukaryotes. From common ancestor. Reclassification with new evidence. Classification show shared characteristics. Applications and skills. 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.4.6 5.4.7 Cladistics Clade definition. Evidence for clade. Differences and common ancestor. Analogous and homologous traits. Cladograms definition. Cladistics and evolutionary origins. Applications and skills. 219 219 219 220 221 221 222 222 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.2.7 5.2.8 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7 5.3.8 186 186 187 188 Answers to Evolution and Biodiversity 188 202 203 204 204 204 204 213 357 349 Science Press Dot Points viii Dot Point IB Biology Core Dot Points Human Physiology 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.1.6 6.1.7 Digestion and absorption Muscles in small intestine. Pancreas secretes enzyme. Digestive enzymes. Villi and surface area. Villi and absorption. Membrane transport. Applications and skills. 227 227 228 230 231 232 234 235 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 The blood system Arteries definition. Artery muscle walls. Muscle walls maintain blood pressure. Capillaries. Veins definition. Valves in veins. Pulmonary circulation. Initiation of heartbeat. Sinoatrial node. Signal from SA. Heart rate. Epinephrine. Applications and skills. 239 239 239 239 Defence against infectious disease Skin and mucous membranes. Skin cuts and blood clotting. Clotting factors. Fibrinogen to fibrin. Phagocytosis. Antibody production. Antibiotics. Virus and antibiotics. Applications and skills. 248 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.2.7 6.2.8 6.2.9 6.2.10 6.2.11 6.2.12 6.2.13 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6 6.3.7 6.3.8 6.3.9 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.4.6 239 239 239 241 243 243 244 245 245 246 260 260 261 262 262 264 264 6.4.7 Gas exchange Ventilation. Type I pneumocytes. Type II pneumocytes. Pathway of air into lungs. Muscles and ventilation. Different muscles for inspiration and expiration. Applications and skills. 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.5 6.5.6 6.5.7 6.5.8 6.5.9 6.5.10 Neurons and synapses Neuron definition. Myelination of nerve fibres. Sodium and potassium ions. Depolarisation and repolarisation. Action potential. Propagation and threshold potential. Synapse definition. Release of neurotransmitter. Threshold potential. Applications and skills. 267 267 267 268 269 269 270 271 272 273 274 6.6 Hormones, homeostasis and reproduction Insulin and glucagon. Thyroxine. Leptin. Melatonin. Development of testes. Testosterone. Estrogen and progesterone. Menstrual cycle. Applications and skills. 275 6.6.1 6.6.2 6.6.3 6.6.4 6.6.5 6.6.6 6.6.7 6.6.8 6.6.9 248 249 250 250 252 252 254 255 256 Answers to Human Physiology 265 275 278 281 281 282 282 283 284 286 367 Science Press Dot Point IB Biology Core ix Dot Points DOT POINT CORE 1 Cell Biology Science Press Dot Point IB Biology Core 1 CORE 1 CellContents Biology 1.1 Introduction to cells. 1.1.1 According to the cell theory, living organisms are composed of cells. 1.1.1.1 State the three points of the cell theory. �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 1.1.1.2 Complete the table to summarise the historical development of the cell theory. Year Person Contribution Zacharias Janssen Robert Hooke Antonie van Leeuwenhoek Rene Henri Dutrochet Mathias Schleiden Theodor Schwann Jan Evangelista Purkinje Rudolf Virchow Walther Flemming Science Press Dot Point IB Biology Core 3 CORE 1 CellContents Biology 1.1.1.3 Outline why the development of the compound microscope was essential in the formation of the cell theory. �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 1.1.1.4 Outline how the development of the specific dyes assisted in the discovery of the internal structures of cells and assisted in the cell theory. �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 1.1.1.5 The diagrams show the microscope used by a scientist and what he observed using this microscope. Identify the scientist, what he was studying and explain why this evidence was important in the development of the cell theory. �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 1.1.1.6 When studying unstained specimens under a light microscope, light passes through the cells and unless the cell is naturally pigmented, there is little contrast. Staining provides contrast to identify cell components. Identify one problem with staining. �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 1.1.1.7 When Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) reported the presence of ‘little animals’ in lake water, the Royal Society asked Robert Hooke to investigate the findings. Comment on this request. �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Science Press Contents CORE 1 Cell Biology 4 Dot Point IB Biology Core 1.1.2 Organisms consisting of only one cell carry out all the functions of life in that cell. 1.1.2.1 Complete the table to summarise the functions carried out by living things/cells. Function Description of function Metabolism Excretion Growth Reproduction Movement Nutrition Homeostasis Response to stimuli 1.1.2.2 The diagram shows a Paramecium. Identify each component and outline how that structure is involved in life processes. A B C Science Press Dot Point IB Biology Core 5 CORE 1 CellContents Biology 1.1.3 Surface area to volume ratio is important in the limitation of cell size. 1.1.3.1 Complete the following measurement conversions. 1 centimetre (cm) = ....................................... metres (m) 1 millimetre (mm) = ....................................... metres (m) 1 micrometre (µm) = ....................................... millimetres (mm) = ....................................... metres (m) 1 nanometre (nm) = ....................................... micrometres (µm) = ....................................... metres (m) 1.1.3.2 The table shows a logarithmic scale from 0.1 nm to 1 m. Place each of the following on the table to show the size range of cells. Eukaryotic cell 10 to 100 µm Hydrogen atom 0.1 nm Prokaryotic cell 1 to 5 µm DNA double helix 2 nm diameter Nucleus 10 to 20 µm Ribosome 25 nm Chloroplast 2 to 10 µm Large virus (HIV) 100 nm Mitochondrion 0.5 to 5 µm Cell membrane 7.5 nm thick Size range of cells 0.1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 mm 10 mm 100 mm 1 mm 1 cm 0.1 m 1m Some nerve and muscle cells Chicken egg Frog eggs Smallest bacteria Viruses Ribosomes Proteins Unaided eye Light microscope Electron microscope 1.1.3.3 Use the grid to draw each of the following cells to show a comparison of the size of a bacterium (2 µm), a human red blood cell (10 µm), a cheek cell (60 µm) and a plant cell (100 µm). 100 µm ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 80 µm ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 60 µm ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 40 µm ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 20 µm ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 0 ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Science Press Contents CORE 1 Cell Biology 6 Dot Point IB Biology Core 1.1.3.4 If you are given a photograph or diagram with a scale bar or information about the magnification, what equation can you use to calculate the real size of the object in the photograph or diagram? 1.1.3.5 Study each of the following diagrams and work out the real size of each. Cell type Ciliated epithelium Palisade mesophyll Amoeba Vorticella Diagram with scale 20 mm Real size 1.1.3.6 30 mm 20 mm 100 mm Length .......................... Length .......................... Length .......................... Length .......................... Width ............................ Width ............................ Width ............................ Width ............................ Study each of the following diagrams and work out the real size of each. Organelle Mitochondrion Chloroplast Diagram with scale 1 mm 1 mm Real size 1.1.3.7 Diameter ............................ Length ........................... Width ........................... Estimate the diameter of the camilla flower and the height of the jade plant. Diameter of camilla flower ...................................................................... Height of jade plant in pot ...................................................................... Science Press Dot Point IB Biology Core 7 CORE 1 CellContents Biology 1.1.3.8 Explain why cell size is dependent upon the surface area to volume ratio. �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 1.1.3.9 The diagram shows three cubes with dimensions: large cube is 3 mm × 3 mm × 3 mm, medium cube is 2 mm × 2 mm × 2 mm and the small cube is 1 mm × 1 mm × 1 mm. 3 3 2 Assume each cube represents a living cell. (a) Complete the following table to summarise the surface area : volume ratio (SA : V) for each cube/cell. Cube/cell Surface area 3 2 1 1 2 1 Volume Ratio SA : V Reduced ratio Large Medium Small From the table identify which cube has the largest surface area : volume ratio and explain how this relates to the size of most cells. �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 1.1.3.10 The diagram shows four different shapes. Which shape would be the most efficient for a functioning cell and explain your reasoning. 2 1 1 1 Shape A 2 1 2 1 2 Shape B 1 2 Shape C 2 Shape D �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Science Press Contents CORE 1 Cell Biology 8 Dot Point IB Biology Core DOT POINT ANSWERS Science Press Dot Point IB Biology Core 291 Contents Answers CORE 1 Cell Biology 1.1.1.1 1.1.1.2 The cell theory states that: 1. All living things are made of cells and the products of cells. 2. All cells come from pre-existing cells. 3. The cell is the basic unit of life in which the processes of living take place. Year 1590 Person Contribution Zacharias Janssen Invented the compound microscope with two lenses to give greater magnification. Studied cork using a compound microscope and names ‘cells’. 1665 Robert Hooke 1675 Antonie van Leeuwenhoek Observed micro-organisms. 1824 Rene Henri Dutrochet The cell is the basic unit in living bodies. 1838 Mathias Schleiden All plants are made of cells. 1839 Theodor Schwann All animals are made of cells. Created the term ‘cell theory’. 1840 Jan Evangelista Purkinje Names cellular contents ‘protoplasm’. 1858 Rudolf Virchow Proposed that cells come from pre-existing cells. 1880 Walther Flemming Described mitosis and cell division using living and stained cells. 1.1.1.3 The development of the compound light microscope provided the magnification necessary to observe cellular structures of plants, animals and unicells. 1.1.1.4 Specific dyes are used to show specific chemicals in cells and outline different structures inside cells. For example, in 1849, Hartung developed the carminic acidic procedure and in 1882 Robert Koch introduced a staining technique to show the tuberculosis bacterium. The stained cells provided evidence for the cell theory and enabled further research, e.g. observation of cells and nuclear division. 1.1.1.5 One diagram shows the microscope used by Robert Hooke and the other diagram shows his drawing of the cork he observed using that microscope. His book, Micrographia, published in 1665, has pictures of the objects he saw through his microscope, e.g. animal, vegetable and mineral. The structures in cork he named ‘cells’ and his evidence provided the basis for the cell theory. 1.1.1.6 Staining requires the cell to be preserved and ‘fixed’. This reduces the ability to observe living cells carrying out specific functions. 1.1.1.7 The report of ‘little animals’ in pond water required verification. The Royal Society needed independent confirmation of the presence of small organisms. Robert Hooke had a microscope and was a suitable person to ask to repeat van Leeuwenhoek’s experiment. Hooke observed the organisms and van Leeuwenhoek’s work was accepted. 1.1.2.1 Function Description of function Metabolism Chemical processes within a cell where compounds are being broken down (catabolism), synthesised (anabolism) and converted from one form to another. Respiration is a process which releases energy, e.g. ATP energy is made available from the breakdown of sugars such as glucose. Excretion Cells of living things remove unwanted products of metabolism present in excess in the cell. Growth Living things, e.g. cells can increase in size. Reproduction The cells of living things can divide to form new cells from the parent cell. Reproduction can be sexual or asexual. Movement Living things show movement, e.g. internally and/or externally. Nutrition Cells take in inorganic materials to form protoplasm and carry out the functions of living things. Homeostasis Cells maintain a constant internal environment within narrow limits. Response to stimuli Cells respond to external stimuli, e.g. interact with their environment. 1.1.2.2 A B C Contractile vacuole fills up with water and uses energy to expel excess water through the plasma membrane. Cilia are short appendages for locomotion to move the paramecium through the water in response to stimuli or to search for food. Cilia in oral groove move food into cell mouth. Vesicles, food vacuoles digest food to provide energy for the call. Undigested contents are released when the vacuole fuses with a specialised area of plasma membrane that acts as an anal pore. Science Press Contents CORE 1 Cell Biology 292 Dot Point IB Biology Core 1.1.3.1 1 centimetre (cm) = 10−2 metres (m) 1 millimetre (mm) = 10−3 metres (m) 1 micrometre (µm) =10−3 millimetres (mm) = 10−6 metres (m) 1 nanometre (nm) = 10−3 micrometres (µm) = 10−9 metres (m) 1.1.3.2 Size range of cells 0.1 nm 1 nm 10 nm 10 mm 100 mm 1 mm Mitochondrion 1m Some nerve and muscle cells Chloroplast Nucleus 0.1 m Chicken egg Prokaryotic Eukaryotic cells cells 1 cm Frog eggs DNA Cell membrane Smallest bacteria Ribosomes Viruses Proteins Hydrogen atom 1 mm 100 nm HIV Unaided eye Light microscope Electron microscope 1.1.3.3 100 mm 80 mm 60 mm 40 mm 20 mm 0 Bacterium 1.1.3.4 1.1.3.5 Human red blood cell Cheek cell Plant cell If given a photograph/diagram with given magnification, you can use the equation: magnified size (measured by ruler) Real size = _________________________________ magnification Cell type Ciliated epithelium Palisade mesophyll Amoeba Vorticella Diagram with scale 20 mm Real size 1.1.3.6 Organelle 20 mm Length – 40 µm Width – 14 µm Length – 68 µm Width – 20 µm Mitochondrion Chloroplast 30 mm Length/width – 550 µm ± 100 µm 100 mm Length – 420 µm Width (top) – 200 µm Diagram with scale 1 mm Real size Diameter 2 µm 1 mm Length 4 µm Width 2 µm 1.1.3.7 Diameter of camilla flower is 100 mm ± 5 mm. Height of jade plant is 1.4 metres. 1.1.3.8 Surface area to volume ratio determines the ability of a cell to exchange substances through the membrane with its environment and for the substances to reach all parts of the cell. A cell with a low surface area to volume ratio will retain heat and substances/wastes while a cell with a larger surface area to volume ratio will lose heat more quickly and diffusion will be more efficient in exchanging materials with the environment. Science Press Dot Point IB Biology Core 293 CORE 1 CellContents Biology 1.1.3.9 (a) (b) Surface area Volume Ratio SA : V Reduced ratio Large Cube/cell 3 × 3 × 6 = 54 mm2 3 × 3 × 3 = 27 mm3 54 : 27 2:1 Medium 2 × 2 × 6 = 24 mm2 2 × 2 × 2 = 8 mm3 24 : 8 3:1 Small 1 × 1 × 6 = 6 mm2 1 × 1 × 1 = 1 mm3 6:1 6:1 The calculations show that the smallest cube has the greatest surface area : volume ratio. This means smaller cells are more efficient in exchanging substances with their environment than larger cells. Larger cells have a larger surface area, however it will take longer for substances to move throughout the entire large cell. To remain efficient, most cells remain small, e.g. they will divide when they reach a certain size. 1.1.3.10 Shape A would be the most efficient for a functioning cell. Surface area : volume ratio for each shape is – Shape A = 6 : 1, Shape B = 3 : 1, Shape C = 5 : 1, Shape D = 4 : 1. Shape A has the largest surface area : volume ratio and is therefore the most efficient shape. 1.1.4.1 Emergent properties are properties that are found in higher biological orders where the sum of all the parts gives rise to new abilities. 1.1.4.2 An emergent property in humans is the ability to solve abstract problems. Lower biological orders have neurons to transmit signals and an anterior area that forms a brain. The architecture of the human brain enables rational thought processes, memory and abstract problem solving at a level not found in other species. 1.1.4.3 A unicellular organism carries out all the basic requirements for life, e.g. growth, reproduction and homeostasis. Multicellular organisms show emergent properties as individual cells cooperate to form tissues, tissues form organs, organs form systems and the combined systems cooperate to maintain life. The interaction and cooperation between cells, tissues, organs and systems provides multicellular organisms with abilities beyond the limitations of a single cell. 1.1.4.4 There is a hierarchical organisation from molecules, e.g. DNA molecules, to the organisation in a multicellular plant. The diagram shows the steps from molecule to cell to tissue to organ to plant. At each step there are interactions that give the next level new properties. For example, chlorophyll is a compound, in chloroplasts it is involved in photosynthesis in a cell. Photosynthetic cells are a part of leaf tissue which is also involved in gas exchange. Leaves, stems and roots are other organs that make up plants. 1.1.5.1 Differentiation is a process when cells become more specialised as they mature. They are no longer similar to the parent cell in structure or function. 1.1.5.2 The nucleus of each cell (except gametes which are haploid) contain a full set of chromosomes. Specialised cells change shape and function when specific genes are ‘switched on’. This is differential gene expression and in humans leads to around 200 different cell types. 1.1.5.3 The experiments by FC Steward showed that mature cells, which have already differentiated (e.g. into root cells in the carrot), contain the genetic information and ability to produce a complete organism. Differentiation does not involve irreversible changes to DNA. 1.1.5.4 When particular genes are ‘switched on’ they cause the cell to differentiate and become specialised. Proto-oncogenes code for proteins that regulate differentiated and cell growth. Health can be affected if the proto-oncogene becomes defective as it becomes an oncogene. Oncogenes increase the malignancy of tumour cells. 1.1.6.1 Differential gene expression occurs when different genes are expressed in cells with the same genome. 1.1.6.2 In eukaryotes DNA codes for: 1. Proteins. 2. RNA products, e.g. ribosomal RNA and transfer RNA. The rest of the DNA, which varies in amount with different species is non-coding. 1.1.6.3 New technologies have dramatically increased our ability to investigate differentiation. Improved DNA sequencing techniques and DNA microarray technologies have provided information about the coding on specific chromosomes and the genomes of many species. The growth in computing power has allowed the large databases of DNA information to be analysed and the functionality of specific genes to be determined. This has enabled molecular biologists to determine finer details about eukaryotic gene regulation and differentiation. 1.1.6.4 The quantity of a product produced by a particular gene can vary between different cells in the body of the individual, e.g. gene expression to make cholesterol. The differences in the amount of a product of gene expression can then lead to the formation of a particular tissue. The amount of product has determined the development of the cell and put it on a particular differentiation pathway. 1.1.6.5 The diagram shows a single cell that undergoes mitotic divisions to produce daughter cells. Differential gene expression occurs in the daughter cells so that one cell becomes a muscle cell, one cell becomes a neuron and another cell becomes an epithelial cell. The other cell remains undifferentiated, the same as the original parent cell. 1.1.7.1 A stem cell is a relatively unspecialised cell that can divide by cell division to produce an identical daughter cell and to differentiate to form different specialised cells. 1.1.7.2 Totipotent stem cells can give rise to any type of differentiated cell while pluripotent stem cells are able to give rise to many, but not all cell types. Young embryos contain totipotent stem cells while adult stem cells are pluripotent. Multipotent stem cells, e.g. from the umbilical cord can become a limited number of particular types of cells. 1.1.7.3 Once a cell has differentiated cell determination occurs so that even if the cell is moved to another location it will not change into the type of cell at that location. Embryonic stem cells are totipotent and can reproduce indefinitely. Depending on the conditions they can become many types of cells. If these cells are removed from the embryo, the embryo dies. Science Press Contents CORE 1 Cell Biology 294 Dot Point IB Biology Core