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8810-6003 19 pages
N10/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
Wednesday 3 November 2010 (morning)
BIOLOGYHIGHER LEVELPAPER 3
INSTRUCTIONS TO CANDIDATES
• Write your session number in the boxes above.• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Answer all of the questions from two of the Options in the spaces provided. You may
continue your answers on answer sheets. Write your session number on each answer sheet, and attach them to this examination paper and your cover sheet using the tag provided.
• At the end of the examination, indicate the letters of the Options answered in the candidate box on your cover sheet and indicate the number of answer sheets used in the appropriate box on your cover sheet.
1 hour 15 minutes
Candidate session number
0 0
© International Baccalaureate Organization 2010
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Option D — Evolution
D1. Superoxide dismutase is an enzyme used by cells to protect themselves against oxidativedamage. Theseenzymescanhavedifferentmetalsaspartof theirstructure.
AstudytocomparetwodismutasesfromEscherichia colibacteriaandtwodismutasesfromeukaryoticcellswasundertaken.Thefollowingenzymeswereused:
• E. colidismutasewithiron(Fe)• E. colidismutasewithmanganese(Mn)• eukaryoticmitochondrialdismutasewithmanganese(Mn)• eukaryoticcytoplasmicdismutasewithcopper-zinc(Cu-Zn).
Thefollowingshowspartoftheaminoacidsequencesoftheseenzymes.BoxesencloseidenticalaminoacidsinthesequenceofthetwoE. coliandmitochondrialdismutases.
1 5 10 15
E. coli(Fe) Ser – Phe – Glu – Leu – Pro – Ala – Leu – Pro – Tyr – Ala – Lys –Asp – Ala – Leu – Ala
E. coli(Mn) Ser – Tyr – Thr – Leu – Pro – Ser – Leu – Pro – Tyr – Ala – Tyr –Asp – Ala – Leu – Glu
Mitochondrial(Mn) Lys – His – Thr – Leu – Pro –Asp – Leu – Pro – Tyr –Asp – Tyr – Gly – Ala – Leu – Glu
Cytoplasmic(Cu-Zn) AcAla– Thr – Lys – Ala – Val – Cys – Val – Leu – Lys – Gly –Asp – Gly – Pro – Val – Gln16 20 25
E. coli(Fe) Pro – His – Ile – Ser – Ala – Glu – Thr – Ile – Glu – Tyr – His – Tyr – Gly –Lys
E. coli(Mn) Pro – His – Phe –Asp – Lys – Gln – Thr –Met – Glu – Leu – His – His – Thr –Lys
Mitochondrial(Mn) Pro – His – Ile – Ser – Ala – Glu – Ile –Met – Gln – Leu – His – His – Ser –Lys
Cytoplasmic(Cu-Zn) Gly – Thr – Ile – His – Phe – Glu – Ala – Lys – Gly –Asp – Thr – Val – Val – Val
[H.M.SteinmanandR.L.Hill(1973)“Sequencehomologiesamongbacterialandmitochondrialsuperoxidedismutases”.PNASjournal(USA),70(12),pp.3725-–3729.Usedwiththepermissionoftheauthors.]
(a) Statehowmanyaminoacidsare in thesameposition in theE. coli (Fe),E. coli (Mn)and themitochondrialdismutasesequencesshown.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(b) State theaminoacidswhicharepresent in the sameposition inat leastone bacterialdismutaseand inbotheukaryoticdismutases.
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(Question D1 continued)
(c) ComparetheE. coli(Mn)andthemitochondrialdismutases.
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(d) Using the diagram, suggest whether the evolution of bacterial dismutase andcytoplasmic dismutase is convergent or divergent.
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(e) Thesequencesofthetwobacterialdismutasesandthemitochondrialdismutaseshowahighdegreeofhomology.Discusshowthissupportstheendosymbiotictheoryfortheoriginofmitochondria.
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D2. (a) Definethetermsallele frequencyandgene pool.
Allelefrequency: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Genepool: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) Stateone assumptionmadewhentheHardy–Weinbergequationisused.
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(c) Outlinehowvariationsinspecificmoleculescanleadtophylogeny.
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(d) Outlinethevalueofclassifyingorganisms.
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D3. Discuss the incompleteness of the fossil record and the resulting uncertainties concerninghumanevolution.
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Option E — Neurobiology and behaviour
E1. Coralscanbemale,femaleorhermaphrodite(bothmaleandfemale)andthereleaseoftheirgametes is called spawning. Data was collected to study the spawning behaviour in theGulfofMexicoofthreegeneraofcoral:Montastraea,StephanocoeniaandDiploria.
The spawningbehaviour is expressed inminutes post-sunset. Peak spawningwindows areshownasgreybars( )andtherangeasblackbars( ).
CoralspeciesmaleM. cavernosa
femaleM. cavernosahermaphroditeD. strigosahermaphroditeM. franksi
maleS. interseptafemaleS. intersepta
hermaphroditeM. faveolatahermaphroditeM. annularis
sunset 15 30 45 60 75 90 105
120
135
150
165
180
195
210
225
240
255
270
Timepost-sunset/min
[AdaptedfromP.D.Vize,J.A.Embesi,M.Nickell,D.P.BrownandD.K.Hagman(2005)“TighttemporalconsistencyofcoralmassspawningattheFlowerGardenBanks,GulfofMexico,from1997–2003.”_GulfofMexicoScience_,1,pp.107–114.
©2005bytheMarineEnvironmentalSciencesConsortiumofAlabama.Usedwithpermission.]
(a) StatetherangeofthetimeofspawningforthemaleM. cavernosa.
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(b) Suggestwhyitmaybeadvantageousforeachspeciesofcoraltospawnwithinatighttimeframe.
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(c) Discussthesignificanceofdifferentspawningwindowsfordifferentspecies.
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(Question E1 continued)
(d) Scientists hypothesized that the releaseof themalegamete triggers a chemical signalfor females to release theireggs. Discuss thishypothesis.
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(e) The spawning window of D. strigosa is shown as a shaded gradient indicating astrongbiastowardsspawningintheearlyportionofthewindow.SuggestareasonforthespawningbehaviourofD. strigosa.
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(f) Definetheterminnate behaviour.
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E2. (a) Definethetermstimulus.
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(b) Listtwostimuliandthereceptorsthatdetectthem.
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(c) Outlinehowpainisperceivedandtheroleofendorphinsinthisprocess.
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E3. Discuss the causes of addiction, including genetic predisposition, social factors anddopamine secretion.
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Option F — Microbes and biotechnology
F1. Antibiotics are sometimes given orally to poultry to prevent disease that may lead toreduced growth. Antibiotic resistance of bacteria from turkeysandchickens bred formeatandfromegg layinghenswasmeasured.
ExcrementwascollectedandEscherichia coli bacteria were isolated. Thesebacteriaweretestedfor resistance toa rangeofantibioticsandtheresultsareshownbelow.
Number of antibiotics to which E. coli are resistant
Turkeysn = 43
Chickensn = 45
Egg laying hensn = 20
0 7 9 13
1 8 5 3
2 7 7 0
3 2 7 3
4 5 7 1
≥5 14 10 0
[Antibioticresistanceoffaecal_Escherichiacoli_inpoultry,poultryfarmersandpoultryslaughterers.A.E.vandenBogaard,N.London,C.Driessen,E.E.Stobberingh._JournalofAntimicrobialChemotherapy_,47,June1,763--771.2001,OxfordUniversityPress.]
(a) Calculatethepercentageriskofbacteriabecomingresistanttomorethanfivekindsofantibioticsinturkeysandegglayinghens.
Turkeys: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Egglayinghens: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) Comparetheincidenceofdrugresistanceinbacteriafromchickensandegglayinghens.
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(c) Discuss the hypothesis that giving antibiotics increases antibiotic resistance inpoultrybacteria.
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(Question F1 continued)
(d) Suggesthowantibiotic-resistantbacteriaarepassedfromanimalstohumans.
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(e) Outlinethemechanismoftheactionofantibiotics.
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F2. (a) (i) Statetwonitrogen-fixingbacteria.
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(ii) Outlinetheconditionsthatfavourdenitrification.
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(b) Microorganismscanbeusedinmanydifferentways.Outlinetheproductionofsoysauceusingmicroorganisms.
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F3. Explaintheuseofbacteriainthebioremediationofwater.
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Option G — Ecology and conservation
G1. Manyfactorsaffectthedistributionofanimalspeciesincludingweatherpatterns.ThemosquitoAnopheles is a carrier of malaria, a disease that kills one to two million people annually.Theeggsof themosquitoare laid inwaterand theyhatchoutas larvaebefore turning intoadultmosquitoes.A studywas undertaken to look at the influence ofweather patterns onthe incidenceofbitesonchildren. Beingbitten increases theriskofcatchingmalaria.
Thegraphsshowhumanbiting rates (HBR)byAnopheles gambiae andAnopheles funestus andprecipitationover thestudyperiod.
A. g
ambi
aeHBR
140
100
60
20
25201510502520151050
A. fu
nest
usHBR
Precipitation
/cm
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 100 104108 112 Weekofrecording
[J.A.Patz_etal._,1998,“Predictingkeymalariatransmissionfactors,bitingandentymologicalinoculationrates,usingmodelledsoilmoistureinKenya”,_TropicalMedicine&InternationalHealth_,3,pp.818-827,Figure1(adapted).UsedwithpermissionofJohnWiley&SonsInc.]
(a) State the week number when the highest human biting rate (HBR) is found forA. gambiae.
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(Question G1 continued)
(b) Calculate thedifference inpeakHBRforA. gambiaeandA. funestus forweek6.
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(c) EvaluatetheeffectofincreasedprecipitationonHBRforbothspecies.
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(d) Suggesthowpredictionsofglobalclimatechanges,suchaspredictionsofprecipitationpatterns,couldbeusedtohelpcontrolmalaria.
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(e) Suggestanotherfactorwhichmightaffecttheecologicaldistributionofmosquitoes.
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(f) SuggestabiologicalcontrolthatmightbeintroducedtoreduceHBR.
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G2. (a) Earthwormsareprimary consumers that canbegrownonhousehold foodwaste suchasfruitandsaladleftovers.Outlinetheirpotentialasanenergy-containingfoodsourceforhumans.
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(b) Statetheunitsusedinapyramidofenergy.
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(c) Describetheeffectsofultravioletradiationonlivingtissues.
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G3. Discusstheroleofex situconservationofendangeredspecies.
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Option H — Further human physiology
H1. Alcoholisknowntoincreasetheriskofcardiovasculardisease(CVD).Aninvestigationwasundertakentolookattheeffectsofdrinkingdifferentamountsofalcoholinmenandwomen.
C-reactiveprotein(CRP),fibrinogenandtotalwhitebloodcellcount(WBC)weremeasured.Thesearemarkersthatcanbeusedtomeasuretheriskofcardiovasculardisease(CVD).
Sampleswere taken from populations in three different countries and their drinking habitsweredeterminedandtheirbloodwasanalysed.
CRP
ChangeinCRP/mgl–l
0.5
0.0
–0.5
Key:womenmen
0> 0–20 >20–40 >40–60 >60–80 >80 Alcoholintake/gday–1
Fibrinogen
Changeinfibrinogen/gl–l
0.5
0.0
–0.5
Key:womenmen
0> 0–20 >20–40 >40–60 >60–80 >80 Alcoholintake/gday–1
WBC
ChangeinWBC/gl–l
0.5
0.0
–0.5
Key:womenmen
0> 0–20 >20–40 >40–60 >60–80 >80 Alcoholintake/gday–1
[Overallalcoholintake,beer,wine,andsystemicmarkersofinflammationinwesternEurope:resultsfromthreeMONICAsamples(Augsburg,Glasgow,Lille),A.Imhof,M.Woodward,A.Doering,N.Helbecque,H.Loewel,P.Amouyel,G.D.O.Lowe,W.Koenig.
EuropeanHeartJournal,December1,2004,OxfordUniversityPress]
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(Question H1 continued)
(a) State the overall trend for CRP for men and women over the range of alcoholconsumption.
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(b) Evaluate,usingallthedata,whetherdrinkingsmallamountsofalcoholreducestheriskofCVD.
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(c) DeducewhichisthebestmarkertomeasuretheriskofCVD.
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(d) OutlineatherosclerosisandthecausesofCVD.
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H2. (a) Labelthesectionofhealthylivertissuebelow. [3]
I
II
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[P.Billietetal.(2000)FurtherInvestigationsinBiology,4,p.64,IBIDPress.Reproducedwithpermission.]
I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) Outlinetworolesoftheliver.
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(c) Listtwomaterialsthatarenotabsorbedbutareegestedbythebody.
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(d) Stateanexampleofaproteinhormone.
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H3. Explaintheoxygendissociationcurvesofadulthemoglobin,fetalhemoglobinandmyoglobin.
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