Uploaded by DIAHEMA LOWE

Dot-Point-IB-Biology-CORE-Sample

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