A red blood cell leaving your lung carries oxygen on haemoglobin, rides an artery, squeezes through a capillary narrower than itself, releases the oxygen to a respiring cell, and returns through a vein. Every structure in that journey is built from the molecules this unit starts with, and every exam question about it asks you to connect structure to function.
WBI11 Molecules, Diet, Transport and Health is the first IAS unit: a written paper of 1 hour 30 minutes, 80 marks, all compulsory. It assesses Topic 1 (Molecules, Transport and Health) and Topic 2 (Membranes, Proteins, DNA and Gene Expression). Expect data questions on health studies, calculations with standard form, and extended answers that name structures and explain mechanisms.
1.1
Water, carbohydrates and food tests
Программа
Спецификация Pearson Edexcel IAL по биологии, выпуск 2 (февраль 2021), тема 1, утверждения 1.1-1.4 с основным практическим занятием 1 (спецификация, стр.15-16). Это локальные учебные подразделения официальных утверждений.
Вода как растворитель для транспорта: дипольная природа, водородные связи между молекулами и причины растворения полярных и ионных веществ. Углеводы: моно-, ди- и полисахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза; мальтоза, сахароза, лактоза; гликоген, амилоза, амилопектин); конденсация с образованием гликозидных связей и гидролиз с их разрывом; соотношение структуры с поставкой и запасами энергии (спираль α-глюкозы против разветвлённого амилопектина/гликогена; целлюлоза здесь не рассматривается). Основное практическое занятие 1: полуколичественная оценка концентрации восстанавливающих сахаров реактивом Бенедикта и определение крахмала реактивом йода с использованием цветовых эталонов.
Источник: Программа Cambridge International
Water is the transport medium because it is a polar solvent 极性溶剂. In a water molecule, oxygen pulls the shared electrons more strongly than hydrogen: each O–H bond has a slight negative end at O and a slight positive end at H. This is the dipole 偶极 nature of water. Opposite charges between neighbouring molecules form hydrogen bonds 氢键, and polar or charged particles (glucose, sodium ions, amino acids) dissolve because water clusters around them.
Carbohydrates are joined and split by two reactions:
Конденсация 缩合 removes a water molecule as a glycosidic bond 糖苷键 forms between two sugars.
Гидролиз 水解 adds water back and breaks that bond.
Two glucose molecules condense to maltose; glucose plus fructose give sucrose; glucose plus galactose give lactose. Long chains make polysaccharides: amylose 直链淀粉 (1,4-linked, coils into a helix, compact), amylopectin 支链淀粉 и glycogen 糖原 (both 1,4-chains with 1,6-branches; glycogen is the animal store in liver and muscle). Branching means many chain ends, so glucose can be released quickly; the helix means a lot of energy fits in a small space.
Core Practical 1: estimating sugar and starch concentration
Reducing sugars reduce blue Benedict's reagent on heating, giving a brick-red precipitate. To estimate an unknown concentration, compare the colour against standards of known concentration, or read the solution in a colourimeter.
Worked check. Standards of 0, 0.5, 1, 2 and 4 % glucose give absorbances 0.02, 0.09, 0.18, 0.35, 0.64. An unknown gives 0.58. On the straight section, each 1 % adds about 0.16 absorbance, so the unknown is near $0.58/0.16 \approx 3.6\%$. Reading beyond the standards (extrapolating past 4 %) is less reliable than measuring within them — a point the examiners like you to make. Iodine turns blue-black with starch; intensity of the blue-black gives the same kind of estimate for starch.
1.2
Lipids: triglycerides and ester bonds
Программа
Утверждение 1.5 (спецификация, стр.16): синтез триглицеридов путём конденсации глицерина с тремя жирными кислотами с образованием сложноэфирных связей; насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты (отсутствие двойной связи против одной или нескольких C=C, прямые цепи, упаковывающиеся плотно, против изогнутых цепей, следствия для температуры плавления). Связи с риском ИБС (подтема 1.5) через химический состав пищевых липидов и с этаноловым эмульсионным тестом.
Источник: Программа Cambridge International
A triglyceride 甘油三酯 is one glycerol plus three fatty acids, joined by three condensation reactions that form ester bonds 酯键. Saturated 饱和 fatty acids have no C=C bonds: straight chains pack closely, so animal fats are solid at room temperature. Unsaturated 不饱和 acids have one or more double bonds that kink the chain, packing is looser, and oils are liquid. Lipids store more energy per gram than carbohydrates because they are more reduced.
1.3
Why animals need a pump: the heart and vessels
Программа
Утверждения 1.6-1.8 (спецификация, стр.16-17): почему многоклеточным животным необходим транспорт масс (пределы диффузии); строение и функция капилляров, артерий и вен (слои стенки, просвет, клапаны, эластичная и гладкая мышечная ткань); камеры сердца, клапаны и крупные сосуды mammals; сердечный цикл (систола предсердий, систола желудочков, диастола) с изменениями давления и объёма и закрытием клапанов. Детали миогенного возбуждения НЕ требуются на уровне IAS (примечание в спецификации).
Источник: Программа Cambridge International
Diffusion supplies cells only a few tenths of a millimetre thick. A big organism needs mass transport 大规模运输: a pump and pipes that carry every cell's supply and waste. The three vessel types match three jobs:
Vessel
Wall
Почему
Артерия
thick muscle and elastic fibres, small lumen
carries blood at high, pulsing pressure; elastin smooths the pulse
Капилляр
one cell thick endothelium
short diffusion path, huge total surface area; tissue fluid leaks out at the start
Вена
thin wall, wide lumen, valves
low pressure return; valves and the surrounding muscles stop backflow
The mammalian heart is two pumps in one organ. The right side sends blood to the lungs; the left side, with the thicker ventricle wall, sends blood to the body. Atria receive; ventricles deliver. The coronary arteries feed the heart muscle itself — blockage there is a heart attack.
Сердечный цикл
One beat has three phases. Систола предсердий 心房收缩期 squeezes the last blood into the ventricles. Систола желудочков 心室收缩期 raises ventricular pressure above arterial pressure, the semilunar valves open, and blood is driven out. Диастола 舒张期 relaxes the muscle, pressure falls, the semilunar valves slam shut (the second heart sound), and the chambers refill from the veins.
Read the figure the way an examiner wants: valve state is decided by pressure difference, never by an instruction. Atrio-ventricular valves open when atrial pressure exceeds ventricular pressure; semilunar valves open when ventricular pressure exceeds aortic pressure.
1.4
Haemoglobin and the oxygen journey
Программа
Утверждение 1.9 (спецификация, стр.17): четвертичная структура гемоглобина (четыре полипептида, каждый с гемовой группой), кооперативное связывание, проявляющееся в сигмоидальной кривой диссоциации, транспорт кислорода и углекислого газа, эффект Боура — повышение парциального давления CO₂ сдвигает кривую вправо при нагружении гемоглобина ионами водорода. Сравнение с гиперболической кривой миоглобина, где появляются белки-накопители одноцепочечные.
Источник: Программа Cambridge International
Haemoglobin is a protein of four polypeptide chains, each folded around a haem group carrying one Fe²⁺ ion that binds one O₂ molecule — four in total. Binding the first oxygen changes the shape of the whole molecule and makes the next bindings easier: cooperative binding 协同结合 gives the oxygen dissociation curve its shallow-then-steep S shape.
In the lungs (high pO₂) the curve flattens near 100 % saturation. In resting tissue near 1–2 kPa the curve is steep, so a small fall in pO₂ unloads a large amount of oxygen — exactly where it is needed. When tissue respires hard it releases more carbon dioxide; hydrogen ions attach to haemoglobin and shift the whole curve to the right (the Bohr effect 波尔效应), forcing even more oxygen to unload in the busiest tissue.
Worked check. At pO₂ 2 kPa the normal curve reads about 30 % saturation and the shifted curve about 15 % — haemoglobin holds only about a third as much oxygen at that partial pressure, so most of its four sites are released to the tissue sooner.
1.5
Cardiovascular disease: a chain of events
Программа
Утверждения 1.10-1.13 с основным практическим занятием 2 (указ. стр.17-18): течение атеросклероза (повреждение эндотелия, воспалительный ответ, отложение ЛПНП, рост бляшки, риск аневризмы и тромбоза); каскад свёртывания крови (выделение тромбопластина, превращение протромбина в тромбин, фибриногена в фибрин); артериальное давление (систолическое/диастолическое, гипертония как фактор риска) и основное практическое занятие 2 исследование частоты сердечных сокращений (Daphnia или аналог). Факторы риска перемножаются, а не складываются.
Источник: Программа Cambridge International
Atherosclerosis 动脉粥样硬化 begins with damage to the endothelium 内皮 lining an artery. The inflammatory response grows, low-density lipoproteins invade, smooth muscle and connective tissue build a plaque 斑块, the artery narrows and hardens, and a clot can finally block it or break loose.
Clotting itself is a cascade. Damage releases thromboplastin 凝血酶原激酶, which (with calcium ions) converts the soluble plasma protein prothrombin 凝血酶原 into the enzyme thrombin 凝血酶; thrombin converts soluble fibrinogen 纤维蛋白原 into the insoluble mesh of fibrin 纤维蛋白 that traps platelets and cells.
Blood pressure 血压 is reported as systolic over diastolic. Hypertension, smoking, high blood LDL-cholesterol, diet, inactivity, age, gender and genetics are risk factors 危险因素 — and they multiply, not add: two moderate risks can matter more than one severe risk.
Reading health-risk data
Questions 8 and 9 of every paper live here. Four habits cover almost every mark:
Correlation is not causation. 相关不等于因果 Two variables moving together may share a hidden cause, or the link may be chance.
Judge the study: How large was the sample? How was it selected? What was controlled? Was it blind? Are there confounders 混杂变量 such as age or smoking?
Do the arithmetic carefully: percentage change, ratios in standard form, per-capita rates.
Ask who or what is missing: non-responders, unpublished studies, extrapolated lines.
Worked check. A study finds gum disease correlates with endothelial damage. Before claiming one causes the other you would want a mechanism, a dose–response pattern, and confounders (diet, smoking, age) excluded — and the question "were the groups matched for blood pressure?" is exactly a confounder question.
1.7
Diet, cholesterol and treating CVD
Программа
Утверждения 1.19-1.20 (указ. стр.18): как научные знания о питании (энергетический баланс, ожирение, измеряемое ИМТ и соотношением талии к бедрам, соль, насыщенные и ненасыщенные жиры) влияют на выбор; преимущества и риски лечения сердечно-сосудистых заболеваний — антигипертензивные препараты (бета-блокаторы, ингибиторы АПФ, диуретики), статины (увеличение числа рецепторов ЛПНП, побочные эффекты для мышц и печени), антикоагулянты (варфарин, аспирин) и препараты, подавляющие агрегацию тромбоцитов — наряду с модификацией образа жизни.
Источник: Программа Cambridge International
Energy balance decides body mass. Overweight and obesity are screened by BMI (mass in kg divided by height in metres squared; 18.5–24.9 is the healthy band) and waist-to-hip ratio (WHR). Dietary saturated fat raises blood LDL-cholesterol; unsaturated fat and soluble fibre lower it.
Worked check. A woman of mass 74 kg and height 1.66 m: BMI $= 74 / 1.66^2 = 74/2.76 = 26.8$ — just into the overweight band. Waist 84 cm and hips 98 cm give WHR $= 84/98 = 0.86$.
Statins 他汀类 (for example simvastatin) block a liver enzyme in cholesterol synthesis, so cells take up LDL from blood.
Anticoagulants 抗凝剂 (warfarin) and antiplatelet drugs (aspirin) reduce clotting, so bleeding risk rises.
A question asking you to "discuss" wants both sides plus a judgement anchored in the data given.
1.8 1.9
Membranes and transport
Программа
Тема 2 утверждения 2.1-2.3 с основным практическим занятием 3 (указ. стр.19-20): свойства поверхностей обмена (большая площадь поверхности, тонкость, поддержание градиента концентрации); структура мембраны согласно жидкомозаичной модели — фосфолипидный бислой, встроенные и наружные белки, холестерин, гликолипиды и гликопротеины; история моделей мембраны (от Овертона до Сингера-Николсона) и основное практическое занятие 3 исследование проницаемости мембраны (свёкла при разной температуре или концентрации растворителя).
Утверждения 2.4-2.5 (указ. стр.20): осмос как движение свободных молекул воды из области с высоким водным потенциалом в область с низким через полупроницаемую мембрану; пассивный транспорт (диффузия, облегчённая диффузия через белки-переносчики и каналы) против активного транспорта (АТФ, против градиента); эндоцитоз и экзоцитоз для переноса крупных частиц; закон Фика, применённый к площади поверхности, градиенту концентрации и расстоянию диффузии (скорость пропорциональна ПС × градиент / толщина).
Источник: Программа Cambridge International
Every exchange surface is a membrane doing controlled business. The fluid mosaic model 流动镶嵌模型 is the accepted picture: a phospholipid bilayer (fluid because the tails can slide), studded with intrinsic proteins that span the bilayer (channels, carriers), extrinsic proteins, cholesterol that controls fluidity, and glycoproteins and glycolipids for recognition.
Four transport routes:
Диффузия 扩散 — net movement down a concentration gradient, no ATP.
Facilitated diffusion 易化扩散 — down the gradient through a channel or carrier protein.
Активный транспорт 主动运输 — against the gradient, powered by ATP, through carrier proteins that change shape.
Осмос 渗透 — water moving from higher to lower water potential 水势 across a partially permeable membrane. Endocytosis and exocytosis move bulk material in vesicles.
For diffusion, Fick's law: rate is proportional to (surface area × concentration difference) ÷ diffusion distance. Gas exchange surfaces answer all three: huge area, maintained gradient, and a wall one or two cells thick. This is why alveoli, capillaries and fish gills all look the way they do.
1.10
Proteins and enzymes
Программа
Утверждения 2.6-2.8 с основным практическим занятием 4 (спецификация, стр.20): структура аминокислоты (аминогруппа, карбоксильная группа, R-группа, образование пептидной связи при конденсации); уровни структуры белка (первичная последовательность до третичной и четвертичной структур, связанных водородными, ионными и дисульфидными связями); действие ферментов — специфичность активного центра, индуцированное соответствие, влияние температуры, pH и концентрации субстрата на скорость реакции, конкурентное и неконкурентное ингибирование; основное практическое занятие 4: исследование активности ферментов (температура или pH или [S] с использованием, например, амилазы и крахмала). Применение иммобилизованных и связанных ферментов.
Источник: Программа Cambridge International
An amino acid carries an amino group, a carboxyl group, a hydrogen and an R group on one central carbon; two join by a peptide bond 肽键 in a condensation reaction. The primary structure 一级结构 is the sequence; hydrogen bonds coil it into the вторичный 二级结构; further hydrogen, ionic and disulfide bonds fold the tertiary 三级结构; separate chains assemble into the quaternary 四级结构 — haemoglobin is the classic example.
An enzyme 酶 is a protein whose active site 活性部位 fits one substrate shape. Binding is not rigid: the induced-fit 诱导契合 model has both molecule and site flexing until complementary. This is why temperature and pH change rate — they act on the tertiary structure — and why the active site is specific.
Competitive inhibitors 竞争性抑制剂 bind the active site and are outnumbered as substrate concentration rises; non-competitive inhibitors 非竞争性抑制剂 bind elsewhere and distort the site, so rate falls whatever the concentration.
Worked check. Q10 is quoted at 2.4: between 10 °C and 20 °C the rate is 2.4 times faster; between 45 °C and 55 °C the same factor means the denatured enzyme is collapsing at an increasing rate. Q10 only describes; it does not explain.
1.11
DNA, replication and the code
Программа
Утверждения 2.9-2.12 (спецификация, стр.21): структура нуклеотида (пентозный сахар, фосфатная группа, азотистое основание; дезоксирибоза против рибозы), образование полимера ДНК за счёт фосфодиэфирных связей, двойная спираль с комплементарным спариванием оснований и антипараллельными цепями; полуконсервативная репликация (развертывание хеликазой, ДНК-полимераза, свободные нуклеотиды, доказательства Мезельсона-Сталя); ген как последовательность оснований, кодирующая последовательность аминокислот; тройничный код — неперекрытый, вырожденный, универсальный, со стартовыми и стоп-кодонами.
Источник: Программа Cambridge International
A mononucleotide 单核苷酸 is a pentose (deoxyribose or ribose), a phosphate and a nitrogenous base. Condensation between phosphate and sugar of neighbours makes a strand held by phosphodiester bonds 磷酸二酯键. DNA is two antiparallel strands: A pairs with T (two hydrogen bonds), G with C (three), twisted into a double helix.
Replication is semi-conservative 半保留: helicase unzips the two strands, each is a template, and DNA polymerase ДНК聚合酶 joins free nucleotides in the 5' to 3' direction. Meselson and Stahl grew bacteria first on heavy ¹⁵N then light ¹⁴N nitrogen; after one round of replication all the DNA was one intermediate density, after two rounds half was light — exactly what semi-conservative predicts and the alternatives forbid.
A gene is a sequence of bases coding for a sequence of amino acids. The code is a триплет 三联体 code: three bases per amino acid. It is non-overlapping 非重叠 (read in successive groups), degenerate 简并 (most amino acids have several codons, so some mutations are silent), and carries start and stop codons.
Worked check. A gene of 300 base pairs coding a protein of 99 amino acids plus a stop codon: $99 \times 3 + 3 = 300$. ✓
1.12
From gene to protein — and when it goes wrong
Программа
Утверждения 2.13-2.18 (спецификация, стр.21-22): транскрипция (РНК-полимераза, матричная цепь, сплайсинг пре-мРНК) и трансляция (кодоны мРНК, антикодоны тРНК с аминокислотами, рибосомы); мутации в результате ошибок репликации ДНК — замещение, вставка, делеция с последствиями сдвига рамки считывания; аллели, генотип, фенотип, доминирование и сцепление с полом в объеме, требуемом WBI11 (муциновая фиброз как модель влияния мутантного гена на транспорт хлоридов через CFTR, накопление слизи, риск инфекций); генетический скрининг (выявление носителей, преемплантационная генетическая диагностика, амниоцентез и取样 ворсинок хориона) с этическими и социальными вопросами программ скрининга.
Источник: Программа Cambridge International
Transcription: RNA polymerase binds the gene, uses one strand as template and builds мРНК 信使RNA. Translation: in the cytoplasm, a ribosome 核糖体 reads the mRNA codons, and tRNA 转运RNA molecules whose anticodons 反密码子 pair with those codons deliver amino acids in order; peptide bonds join them.
Мутации 突变 arise from replication errors. A substitution 替换 swaps one base: one amino acid changes, or nothing changes (degeneracy). An insertion 插入 или deletion 缺失 adds or removes a base and shifts every reading frame after it — a frameshift 移码 — usually destroying the protein.
Cystic fibrosis is the course's model: deletion of three bases removes one phenylalanine from the CFTR protein, so chloride transport fails, mucus stays thick, and airways clog. The allele is recessive: carriers are healthy. Genetic screening 基因筛查 can identify carriers, test embryos (pre-implantation genetic diagnosis) or foetuses (amniocentesis, chorionic villus sampling). Screening questions always carry ethics: who is tested, who is told, what happens to a positive result.
1.12
Проверьте себя
Explain why amylopectin releases glucose faster than amylose, referring to bonds and ends of chains.
Calculate the BMI of a 91 kg man 1.83 m tall and classify him.
During ventricular systole, which valves are open and which are shut, and why?
The oxygen saturation at 4 kPa falls from about 60 % to about 34 % when CO₂ rises. Explain the molecular cause.
Describe the clotting cascade in order, from endothelial damage to fibrin.
A study reports that people who eat more yoghurt have fewer heart attacks. List three checks you would make before believing a causal claim.
Explain why a competitive inhibitor lowers the rate at low substrate concentration but not at very high concentration.
Meselson and Stahl ruled out conservative replication. Which observation, after one round, did the job?
A frameshift mutation is usually worse than a substitution. Explain why, using the words triplet and degenerate.
Name two benefits and two risks of genetic screening for cystic fibrosis carriers.
Answers: 1 many 1,6-branch points give many chain ends for enzymes to attack simultaneously; 2 $91/1.83^2 = 27.2$, overweight; 3 atrio-ventricular shut, semilunar open, because ventricular pressure exceeds aortic but not atrial-from-above pressure; 4 hydrogen ions from CO₂ bind haemoglobin, changing its shape and lowering oxygen affinity (Bohr effect); 5 damage exposes collagen, platelets and damaged cells release thromboplastin, thromboplastin + Ca²⁺ converts prothrombin to thrombin, thrombin converts fibrinogen to fibrin, fibrin mesh traps cells; 6 sample size and selection, confounders such as age/exercise/diet, blinded comparison, mechanism or dose–response; 7 the inhibitor competes for the active site, so at very high substrate concentration nearly every collision with the site is substrate; 8 after one round all DNA was a single intermediate band — conservative predicts one heavy and one light band; 9 a frameshift changes every triplet after the mutation, so the whole protein from that point is a different amino-acid sequence, while degeneracy lets many substitutions change nothing; 10 benefits — informed family planning, earlier treatment or lifestyle change; risks — anxiety, discrimination by insurers or employers, false positives or negatives.
2
Клетки, Развитие, Биоразнообразие и Охрана природы
You began as one fertilised egg cell. This unit explains how that cell divided, how the copies were shuffled and halved to make gametes, how identical genes became different tissues, and how the variety that produces is counted, classified and — increasingly — defended. It is the unit of microscopes, calculations and definitions done precisely.
WBI12 Cells, Development, Biodiversity and Conservation is the second IAS unit: 1 hour 30 minutes, 80 marks, all compulsory. It assesses Topic 3 (Cell Structure, Reproduction and Development) and Topic 4 (Plant Structure and Function, Biodiversity and Conservation). Expect labelling diagrams, microscope and magnification calculations, the index of diversity and Hardy–Weinberg questions, and long answers on conservation evaluation.
2.1
Cell ultrastructure and the microscope
Программа
Topic 3 statements 3.1-3.7 with Core Practical 5 (spec pp.22-23). Eukaryotic ultrastructure - nucleus and nucleolus, ribosomes, rough and smooth endoplasmic reticulum, Golgi apparatus and vesicles, mitochondria, chloroplasts, lysosomes, centrioles, cell-surface membrane - each organelle tied to its function, and prokaryotic ultrastructure (cell wall, capsule, plasmids, single circular DNA, 70S ribosomes, flagellum). Organisation into tissues, organs and systems (statement 3.2). Magnification vs resolution; light and electron microscopy (TEM/SEM); magnification calculations M = image/actual; the roles of staining. Core Practical 5 examines cells with microscopy.
Источник: Программа Cambridge International
A eukaryotic 真核 cell is a set of specialised compartments:
Structure
Function
Nucleus and nucleolus
DNA stored behind a double membrane; nucleolus builds ribosomes
Ribosomes (80S)
site of protein synthesis
Rough endoplasmic reticulum
folds and transports proteins made on its ribosomes
Golgi apparatus
modifies, packages and ships proteins in vesicles
Мітохондрія
site of aerobic respiration, ATP production
Chloroplast (plants)
site of photosynthesis
Лізосома
digestive enzymes for worn organelles
Cell-surface membrane
controls transport, recognition
Cells organise into tissues 组织 (similar cells), organs 器官 (cooperating tissues) and organ systems 器官系统. A prokaryotic 原核 cell has none of the membrane-bound organelles: a cell wall, a slime capsule 荚膜, one circular DNA molecule plus plasmids 质粒, 70S ribosomes, and sometimes a flagellum 鞭毛.
Збільшення 放大倍数 is how much bigger the image is; resolution 分辨率 is the smallest separation still seen as two. Light microscopes resolve about 200 nm; electron beams, far shorter in wavelength, resolve to a few nanometres — but need thin stained sections (TEM) or gold-coated surfaces (SEM). $M = \text{image size} / \text{actual size}$, keeping units consistent.
Worked check. A mitochondrion measures 14 mm on a photograph labelled ×20 000. Actual length $= 14\,000\ \mu\text{m} / 20\,000 = 0.7\ \mu$m. A nucleus that must be seen with its double membrane needs an electron microscope: the two membranes lie closer than a light microscope's resolution.
2.2
Meiosis: halving and shuffling
Программа
Утверждения 3.9-3.13 (указ. стр.23): локусы и сцепление; мейоз как два деления, приводящие к образованию четырёх генетически различных гаплоидных клеток; независимое расхождение гомологичных пар и кроссинговер хроматид как два источника изменчивости; специализация гаммет у млекопитающих (акросома сперматозоида, среднее тело с митохондриями, цитоплазма яйцеклетки и Zona pellucida); оплодотворение у млекопитающих (акросомная реакция, кортикальная реакция, блокирующая полиспермию) и у цветковых растений (пыльцевая трубка, двойное оплодотворение).
Источник: Программа Cambridge International
Мейоз 减数分裂 is two successive divisions after one DNA replication, producing four genetically different haploid 单倍体 cells from one diploid 二倍体 cell. Two processes create the variation:
Независимое расхождение 独立分配 — each homologous pair lines up and separates at random in meiosis I; each gamete gets one of each pair, from either parent at random ($2^n$ combinations).
Кроссинговер 交叉互换 — in prophase I, homologous chromatids swap sections, mixing alleles within chromosome pairs.
Mammalian gametes are specialised for delivery and provisioning: the sperm 精子 carries an acrosome 顶体 (digestive enzymes), a midpiece of mitochondria and a flagellum; the egg 卵子 contributes nearly all cytoplasm and a zona pellucida 透明带 that locks out extra sperm after the cortical reaction 皮质反应. In flowering plants the pollen tube delivers two male nuclei: one fertilises the egg, the other the polar nuclei — double fertilisation 双受精.
2.3
Mitosis and the cell cycle
Программа
Утверждения 3.14-3.16 с основным практическим занятием 6 (указ. стр.23): клеточный цикл (межфазная G1-S-G2, затем митоз и цитокинез); профаза, метафаза, анафаза, телофаза с тем, что происходит с хромосомами на каждом этапе; митоз, производящий генетически идентичные клетки для роста, восстановления и бесполого размножения; расчёт митотического индекса (клетки в митозе к общему числу клеток) и его клиническое применение; основное практическое занятие 6 готовит и наблюдает за срезами верхушек корней.
Источник: Программа Cambridge International
Митоз 有丝分裂 produces two genetically identical diploid cells: growth, repair, asexual reproduction. Interphase ($G_1$, S — DNA replication, $G_2$) fills most of the cycle; mitosis itself is prophase (chromosomes condense, spindle forms), metaphase (chromosomes line at the equator), anaphase (spindle fibres pull chromatids to poles), telophase (nuclear membranes reform), then cytokinesis 胞质分裂.
The mitotic index 有丝分裂指数$=$ cells in mitosis $\div$ total cells counted. High values in a tissue biopsy mean rapid division — a cancer signature.
Worked check. A root-tip squash shows 36 of 450 cells in mitosis: index $= 36/450 = 0.08 = 8\%$. If the cycle takes 20 hours, mitosis occupies $0.08 \times 20 = 1.6$ hours.
2.4
Stem cells and switching genes on
Программа
Утверждения 3.17-3.21 (указ. стр.24): тотипотентные и плюрипотентные стволовые клетки, стадии бластомеры и бластоцисты; дифференцировка посредством дифференциальной экспрессии генов; посттранскрипционные изменения мРНК, дающие несколько белков из одного гена; взаимодействие генотипа и среды в формировании фенотипа; множественные аллели и полигенное наследование, обеспечивающие непрерывную изменчивость. Этика использования стволовых клеток прослеживается через экзаменационные вопросы.
Источник: Программа Cambridge International
A totipotent 全能性 stem cell can form a whole organism (the first divisions of the zygote); a pluripotent 多能性 cell (inner blastocyst 胚泡) can form any tissue but not the whole organism. Differentiation happens by differential gene expression 差异基因表达: every cell keeps the whole genome, but each type switches on only its own subset. One gene can yield several proteins by post-transcriptional modification 转录后修饰 — RNA splicing choices of the pre-mRNA. The final phenotype also reflects the environment (height needs both genes and nutrition) and, for many traits, multiple genes acting together (polygenic 多基因 inheritance giving continuous variation).
2.5 2.6
Plant transport tissues
Программа
Тема 4 утверждения 4.1-4.6 с основными практическими занятиями 7-8 (указ. стр.26-27): ультраструктура растительной клетки (клеточная стенка из целлюлозы, плазмодесмы, хлоропласты, амилопласты, вакуоль); сравнение структуры крахмала и целлюлозы с их ролями в запасании и поддержке; микрофибриллы целлюлозы и вторичное утолщение, придающие прочность на разрыв; сосуды ксилемы (лигнифицированные, мёртвые, транспорт воды и поддержка) и ситовидные трубки флоэмы с соматическими клетками (транслокация); распределение в корне, стебле и листе; основное практическое занятие 7 исследует структуру растительных тканей и основное практическое занятие 8 транспорт воды (работа с потемометром).
Утверждения 4.7-4.13 (спецификация, стр.27-28): устойчивость растительных волокон и крахмала; роль воды и неорганических ионов (нитрат для аминокислот, кальций для структуры клеточной стенки и сигнализации, магний для хлорофилла); антимикробные и терапевтические вещества из растений (Основная практическая работа 9 тестирование антимикробной активности); условия роста бактерий; развитие протоколов тестирования лекарств от исторических до современных, включая этапы клинических испытаний.
Источник: Программа Cambridge International
Plant cells add a cellulose cell wall 细胞壁 joined to neighbours by plasmodesmata 胞间连丝. Cellulose chains bundle into microfibrils 微纤维 whose criss-cross laying gives tensile strength; secondary thickening with lignin strengthens and waterproofs.
Tissue
Built from
Function
Ксилема 木质部
dead hollow cells, lignified walls
water and mineral transport; support
Флоэма 韧皮部
living sieve-tube elements + companion cells
translocation of sugars
Water and ions matter beyond drinking: nitrate 硝酸盐 builds amino acids, кальций 钙离子 cross-links pectin in walls and signals inside cells, магний 镁离子 sits at the heart of chlorophyll — a shortage yellows the leaves.
2.7
Measuring life: classification and biodiversity
Программа
Утверждения 4.14-4.18 (спецификация, стр.28): классификация организует жизнь по общим признакам, включая трехдоменную систему (Археи, Бактерии, Эукариоты) и данные молекулярных последовательностей; видовое богатство и индекс разнообразия (D) в пределах местообитания; индекс гетерозиготности внутри вида; эндемизм; угрозы биоразнообразию. Вычисления по формуле D проводятся на экзамене ежегодно.
Источник: Программа Cambridge International
Classification arranges life by shared characteristics; the three-domain system 三域系统 (Bacteria, Archaea, Eukarya) rests on molecular evidence — ribosomal RNA sequences — that revealed Archaea are closer to us than to bacteria. Within a habitat, diversity has two measures:
Species richness 物种丰富度 — how many species.
Index of diversity 多样性指数 — $D = \dfrac{N(N-1)}{\sum n(n-1)}$, where $N$ is all individuals and $n$ each species' count. Higher $D$, more diverse.
Worked check. Habitat A: 3 species with counts 40, 35, 25 ($N = 100$). $D = 100 \times 99 / (40 \times 39 + 35 \times 34 + 25 \times 24) = 9900 / (1560 + 1190 + 600) = 9900/3350 = 2.96$. Habitat B: 3 species, counts 90, 6, 4: $D = 9900/(8010 + 30 + 12) = 1.23$. Same richness, very different balance — $D$ sees what richness cannot.
Within one species, the heterozygosity index 杂合度指数$H =$ (number of heterozygotes) $\div$ (number of individuals) measures genetic variety. A species found nowhere else is endemic 特有种 — and its island home makes it both precious and fragile.
2.8
Niches, Hardy–Weinberg and conservation
Программа
Утверждения 4.19-4.21 (спецификация, стр.28-29): понятие ниши и примеры адаптации (анатомические, физиологические, поведенческие); уравнение Харди-Вайнберга p^2 + 2pq + q^2 = 1 для частот аллелей в популяции и предполагаемые им условия; оценка методов охраны природы в зоопарках и семенных банках, искусственного разведения и экологических коридоров.
Источник: Программа Cambridge International
A niche 生态位 is a species' way of life: its role, its requirements, its tolerances. Adaptations come in three registers — anatomical (thick fur), physiological (enzyme variants), behavioural (migration timing).
The Hardy–Weinberg equation 哈迪–温伯格方程 tracks allele frequencies in a large, randomly breeding population with no selection, migration or mutation:
$$p^2 + 2pq + q^2 = 1$$
$q^2$ = frequency of the homozygous recessive genotype. If 4 % of a population shows the recessive phenotype, $q^2 = 0.04$, so $q = 0.2$, $p = 0.8$, carriers $2pq = 0.32$.
Worked check. Of 500 foxes, 45 are homozygous recessive: $q^2 = 0.09$, $q = 0.3$, $p = 0.7$. Expected carriers $= 2pq \times 500 = 0.42 \times 500 = 210$.
Conservation questions want balance. Zoos and seed banks 种子库 keep species against extinction and run captive breeding, but cost space, lose natural behaviour and serve few individuals; habitat protection and corridors 走廊 preserve ecology at scale but need land, money and political will. Credit the specific argument, not the sentiment.
2.6
Culturing and growing microbes
Программа
Утверждения 4.7-4.13 (спецификация, стр.27-28): устойчивость растительных волокон и крахмала; роль воды и неорганических ионов (нитрат для аминокислот, кальций для структуры клеточной стенки и сигнализации, магний для хлорофилла); антимикробные и терапевтические вещества из растений (Основная практическая работа 9 тестирование антимикробной активности); условия роста бактерий; развитие протоколов тестирования лекарств от исторических до современных, включая этапы клинических испытаний.
Источник: Программа Cambridge International
For the microbiology here (and Unit 4's): grow bacteria on nutrient agar or in broth, using aseptic technique 无菌技术 — sterilise loops by flaming, flame bottle necks, work near an updraught, seal plates, incubate below body temperature so human pathogens cannot grow. Count colonies on spread or pour plates (each colony from one cell or a clump: colony-forming units), or count cells with a haemocytometer, or follow turbidity 浊度 in broth.
Worked check. In the exponential phase, the growth-rate constant $k = (\log_{10} N_t - \log_{10} N_0)/(0.301 \times t)$. From $1 \times 10^4$ до $4 \times 10^7$ cells in 4 hours: $\log$ difference $= 3.602$, so $k = 3.602/(0.301 \times 4) \approx 3.0$ divisions per hour — about a 20-minute generation time.
2.6
Проверьте себя
Calculate the actual width of a nucleus that appears 24 mm wide at ×4 000. Give your answer in µm.
Name the two processes in meiosis that create genetic variation, and state when each happens.
A cell has 2 a.u. of DNA in G1. Sketch how DNA content changes through S phase, meiosis I and meiosis II.
Explain why all cells of a blastocyst can become any tissue, but a mature muscle cell cannot.
Explain two ways xylem is adapted to its function, one structural and one chemical.
Two habitats each contain 5 plant species. Explain why the index of diversity can still differ between them.
In a population of 1 000, 16 people show a recessive condition. Calculate q, p and the expected number of carriers.
A species of snail is endemic to one island. Explain why endemic species face higher extinction risk.
State three conditions a population must meet for the Hardy–Weinberg equation to hold.
Give one benefit and one limitation of seed banks compared with protecting habitat.
Answers: 1 $24\,000/4\,000 = 6\ \mu$m; 2 crossing over in prophase I, independent assortment in metaphase/anaphase I (and II); 3 rises to 4 in S, halves to 2 after meiosis I, halves to 1 after meiosis II, restored to 2 at fertilisation; 4 blastocyst cells are pluripotent — all genes still switchable; a muscle cell has switched off other pathways permanently in ordinary conditions; 5 hollow, lignified dead cells form continuous water columns with no cytoplasm to resist flow; lignin waterproofs and strengthens walls against collapse; 6 D weighs the evenness of abundance, not just the species count; 7 $q^2 = 0.016$, $q \approx 0.126$, $p \approx 0.874$, carriers $2pq \approx 0.22$, about 220 people; 8 a single local event (storm, disease, introduced predator, habitat loss) removes the whole species at once; 9 large population, random mating, no selection/mutation/migration; 10 seed banks store genetic diversity cheaply and safely against habitat loss (benefit) but species exist out of their ecology — no interactions, no evolution in place, and recolonisation is uncertain (limitation).
Энергия входящая, энергия проходящая, энергия теряемая
Пшеничное поле перехватывает солнечный свет, фиксирует углерод, питает пищевую цепь — и теряет энергию на каждом этапе. В этом модуле мы проследим путь энергии от фотона до экосистемы, а затем обратимся к самым маленьким участникам: микроorganизмам, которые рециклируют, патогенам, которые забирают, и иммунной системе, которая защищает. WBI14 также является наиболее трудоёмким по расчётам экзаменационным листом после Unit 1: ожидайте NPP, константы роста, индексы разнообразия и арифметику определения времени смерти.
WBI14 Энергия, Окружающая среда, Микробиология и Иммунитет — это первый IA2 модуль: 1 час 30 минут, 90 баллов, всё обязательно. Он оценивает Topic 5 (Потоки энергии, Экосистемы и Окружающая среда) и Topic 6 (Микробиология, Иммунитет и Судебная медицина).
4.1
Фотосинтез: две стадии, два места
Программа
Тема 5 утверждения 5.1-5.8 с Основной практической работой 10 (спецификация, стр.29-30). Общая реакция фотосинтеза; реакции, зависящие от света (фотолиз воды, фотофосфорилирование АДФ, восстановление NADP) в тилакоидах; реакции, не зависящие от света (цикл Кальвина: фиксация CO₂ рибулзо-бисфосфаткарбоксилазой/рубиско, образование ГАЛФ, регенерация рибулзо-бисфосфата) в строме; структура хлоропласта, соответствующая обоим этапам; спектры поглощения и действия; хроматография пигментов со значениями Rf (Основная практическая работа 10); лимитирующие факторы (интенсивность света, концентрация CO₂, температура) и их агрономическое регулирование.
Источник: Программа Cambridge International
Общая реакция: $6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2}$, управляемая световой энергией. В мембранах тилакоидовсветозависимые реакции фотолизуют воду (выделяя O₂ и H⁺), фотофосфорилируют АДФ и восстанавливают НАДФ. В стромесветонезависимые реакции (цикл Кальвина) фиксируют углекислый газ на рибулозо-бисфосфате с помощью рубиско, восстанавливают продукты с использованием АТФ и восстановленного НАДФ из первой стадии и синтезируют ГАЛФ — часть для глюкозы, большую часть для регенерации РБФ.
Структура соответствует функции: тилакоиды сложены стопками для увеличения площади поглощения; строма насыщена ферментами для цикла.
Пигменты и спектры
Хлорофиллы a и b поглощают красный и синий свет; каротиноиды расширяют диапазон и обеспечивают защиту. Спектр поглощения показывает, что поглощает каждый пигмент; спектр действия показывает, какая скорость фотосинтеза обеспечивается каждой длиной волны — их совпадение является доказательством того, что эти пигменты выполняют работу. Хроматография разделяет пигменты по растворимости; $\mathrm{Rf} = \text{distance moved by pigment} / \text{distance moved by solvent}$.
Ограничивающие факторы: интенсивность света, концентрация CO₂, температура. Теплица повышает самый слабый из трёх факторов — и ответы на экзамене должны указывать какой именно и почему.
4.2
Продуктивность и короткая пищевая цепь
Программа
Утверждения 5.9-5.10 (спецификация, стр.30): валовая первичная продуктивность (ВПП), чистая первичная продуктивность (ЧПП = ВПП минус дыхательные потери) и используемые единицы (кДж м-2 год-1); эффективность передачи биомассы между трофическими уровнями и ее расчет; причины потери энергии при передаче (дыхание, экскреция, непереваренные остатки) и короткая длина пищевых цепей.
Источник: Программа Cambridge International
Валовая первичная продуктивность (GPP) — это энергия, фиксированная фотосинтезом на единицу площади за единицу времени (кДж м⁻² год⁻¹). Растения тратят значительную её часть на собственное дыхание; то, что остаётся, называется чистой первичной продуктивностью:
$$\mathrm{NPP} = \mathrm{GPP} - R$$
Лишь около 10 % энергии на каждом трофическом уровне передаётся выше — теряется на дыхание в виде тепла, экскрецию, выделение и части, которые никогда не поедаются. Вот почему цепи редко превышают четыре или пять уровней и почему верхние хищники редки.
Разбор примера. Луг фиксирует 45 000 кДж м⁻² год⁻¹, а呼吸者消耗 19 000. ЧПП $= 26\,000$ кДж м⁻² год⁻¹. Коровы, поедая эту траву, усваивают около 10 %: 2 600 кДж м⁻² год⁻¹. Люди, поедая коров, получают 260 — арифметика энергии, стоящая за утверждением «питание на нижних уровнях цепи прокормит больше людей».
4.3
Экосистемы, популяции и сукцессия
Программа
Утверждения 5.11-5.15 с Основной практической работой 11 (спецификация, стр.30-31): понятия местообитание, популяция, сообщество и экосистема; биотические и абиотические факторы, определяющие распространение и обилие; применение понятия ниши; циклы «хищник–жертва»; методы измерения обилия (квадраты, трансекты, метод ловли-метки-повторного улова); этапы сукцессии от заселения пионерными видами до климаксного сообщества (Основная практическая работа 11 обследование местообитания).
Источник: Программа Cambridge International
Четыре определения, точно: местообитание (где), популяция (особи одного вида), сообщество (все популяции), экосистема (сообщество + среда). Абиотические факторы (свет, вода, температура, pH) и биотические факторы (конкуренция, хищничество, болезни) определяют, кто и где живёт, и насколько обильно — вместе они формируют нишу.
Цикл хищника и жертвы с запаздыванием: зайцы растут, рыси следуют, зайцы падают, рыси голодают — запаздывание составляет примерно четверть цикла.
Сукцессия начинается, когда виды-пионеры заселяют открытые почвы; каждый этап изменяет почву и микроклимат, позволяя следующему этапу, пока климаксное сообщество не стабилизируется. Оценка обилия использует квадраты и трансекты (случайная выборка для оценки, систематическая вдоль градиента) и метод «поймай-меть-перехвати» для животных ($N \approx \text{first catch} \times \text{second catch} / \text{marked recaptures}$).
4.4
Изменение климата: доказательства, причины, последствия
Программа
Утверждения 5.16-5.22 с Основной практической работой 12 (спецификация, стр.31-32): доказательства изменения климата (температурные записи, ледяные керны, дендрохронология, пыльца в торфе); парниковые газы и усиленный парниковый эффект (CO2, метан, закись азота — источники, время пребывания в атмосфере, потенциал глобального потепления); углеродный цикл и методы снижения содержания углерода в атмосфере; экстраполяция данных и ее надежность; влияние изменения климата на режим осадков, ареалы видов и экосистемы, зависимые от ферментов; Основная практическая работа 12 изучает влияние температуры на активность ферментов/связанную с местообитанием деятельность.
Источник: Программа Cambridge International
Доказательства получены из прямых температурных записей, ледяных кернов (запертый воздух дает древний CO₂), годовых колец деревьев (дендрохронология) и слоев пыльцы в торфе. Усиленный парниковый эффект: исходящее длинноволновое излучение поглощается CO₂, метаном и оксидом азота и переизлучается вниз. Газы различны — метан эффективен, но быстро исчезает; CO₂ сохраняется столетиями; оксид азота сочетает оба свойства — поэтому политика оценивает потенциал глобального потепления в зависимости от времени существования газа.
Экстраполяция тренда за пределы имеющихся данных — это суждение, а не факт: укажите предположение (тренд продолжается) и его слабость. Уже рассмотренные эффекты: смещение режимов осадков и ареалов видов, а также — в контексте данного курса — влияние температуры на скорость ферментативных реакций у холоднокровных организмов и целых экосистем.
Проверочный пример. Потенциал потепления метана составляет примерно 28× по сравнению с CO₂ на кг, но он сохраняется ~12 лет против столетий. Утечка одного тонна метана имеет значение 28× больше, чем утечка одного тонна CO₂ в этом десятилетии, но исчезает, тогда как CO₂ продолжает накапливаться — арифметика соотношения «потенциала потепления и кумулятивной нагрузки».
4.5
Эволюция и видообразование
Программа
Утверждения 5.23-5.26 (спецификация, стр.32): эволюция как изменение частот аллелей под воздействием мутаций, отбора (направленного и стабилизирующего), потока генов и дрейфа; изоляция, снижающая поток генов (географическая = аллопатрическая; репродуктивная = симпатрическая), ведущая к видообразованию; интерпретация спорных научных выводов (климат, эволюция) по критериям доказательств; лесовосстановление, устойчивые ресурсы и биотопливо.
Источник: Программа Cambridge International
Эволюция — это изменение частоты аллелей. Она требует вариабельности (мутации, мейоз) и фильтра: направленный отбор смещает среднее при изменении среды; стабилизирующий отбор устраняет крайние значения в стабильной среде. Дрейф частот изменяет их случайно в малых популяциях; поток генов (миграция) снова смешивает их.
Видообразование требует изоляции: аллопатрическое (физический барьер — allopatric = разная родина) или симпатрическое (репродуктивная изоляция в одном месте — поведенческая, временная или генетическая). Изолированные популяции расходятся до тех пор, пока не перестанут скрещиваться.
4.6
Культивирование микроорганизмов
Программа
Утверждения 6.1-6.4 с Основной практической работой 13 (спецификация, стр.33): культуральные среды (питательный агар, бульон); асептика подробно; методы измерения роста микроорганизмов (подсчет клеток, оптическую плотность, подсчет жизнеспособных колоний методом посевов на разведения); четыре фазы кривой роста бактерий (период лаг, логарифмическая/экспоненциальная, стационарная, фаза гибели) и константа скорости экспоненциального роста k; Основная практическая работа 13 исследует скорость роста в жидкой культуре с использованием калибровочной кривой.
Источник: Программа Cambridge International
Асептическая техника защищает вас и культуру: прокаливайте петлю до красного жара, прокаливайте горлышки бутылок, поднимайте крышки ненадолго, запечатывайте чашки лентой, инкубируйте при 25 °C (никогда не при температуре тела, чтобы патогенные микроорганизмы человека не размножались). Измерение роста dilakukan прямым подсчетом клеток (гаemocитometer), турбидностью в бульоне или viable counts методом разведения на плитах (колонии × коэффициент разведения).
Кривая роста: лаг (синтез ферментов), логарифмическая фаза (экспоненциальное удвоение), стационарная фаза (смерть = деление), фаза гибели. Константа экспоненты:
Проверочный пример. От $2\times10^4$ до $1.6\times10^7$ клеток за 5 часа: логарифмическая разница $= 2.903$; $k = 2.903/(0.301\times5) = 1.93$ поколений в час — время удвоения около 31 минут.
4.7
Патогены и барьеры организма
Программа
Утверждения 6.5-6.7 (спецификация, стр.33): сравнение структур бактерий и вирусов (нуклеиновая кислота, капсид, оболочка); пути заражения (пищеварительный, дыхательный, половой путь, раны, переносчики); барьеры инфекции (кожа, слизь, желудочная кислота, свертывание крови); как Mycobacterium tuberculosis и ВИЧ инфицируют организм и наносят ему ущерб, а также как ВИЧ усугубляет туберкулёз.
Источник: Программа Cambridge International
Бактерии: клеточная стенка, плазмиды, рибосомы, кольцевая ДНК, некоторые с капсулой и жгутиком. Вирусы: нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) в капсиде, некоторые с оболочкой — нет органоидов, нет собственного метаболизма; они захватывают клетки хозяина. Mycobacterium tuberculosis заражает легкие, выживая внутри макрофагов; ВИЧ разрушает T-хелперные клетки, поэтому иммунная система падает, и туберкулез реактивируется — классическое заболевание, определяющее СПИД.
Барьеры действуют первыми: кожа, слизь и реснички, желудочный сок, лизоцим в слезах и каскад свертывания крови, запечатывающий раны.
4.8
Иммунный ответ
Программа
Утверждения 6.8-6.12 (спецификация, стр.34): неспецифические реакции (воспаление, лизоцим, интерферон); антигены; гуморальный ответ — дифференцировка эффекторных B-клеток в плазматические клетки, секретирующие антитела, B-клетки памяти обеспечивают вторичный ответ; клеточный ответ — T-хелперы, T-киллеры и T-клетки памяти; структура антитела (четыре полипептидные цепи, вариабельный участок связывания) и комплекс антиген-антитело; естественный и искусственный, активный и пассивный иммунитет; вакцинация и коллективный иммунитет; эволюционная гонка между патогенами и хозяевами.
Гуморальный: B-эффекторные клетки → плазматические клетки → антитела; B-клетки памяти остаются для более быстрого и сильного вторичного ответа.
Клеточный: T-хелперные клетки координируют, T-киллеры уничтожают инфицированные клетки, T-клетки памяти сохраняются.
Антитело состоит из четырех полипептидных цепей (двух тяжелых и двух легких), образующих вариабельный участок, формирующий один специфический сайт связывания — форму, соответствующую одному антигену. Иммунитет делится на два типа: активный (собственные антитела — естественная инфекция или вакцинация) и пассивный (введенные антитела — от матери к ребенку, сыворотки); в каждом типе различают естественный и искусственный. Вакцинация работает также на уровне популяций (коллективный иммунитет), но патогены эволюционируют в ответ: это эволюционная гонка.
Разбор. Вторая доза вакцины вызывает уровень антител, превышающий первый в десять раз, и делает это за дни, а не недели: клонная селекция выявляет клетки памяти B, которые быстро делятся, образуя плазматические клетки — вторичный иммунный ответ, подготовленный первичным.
4.9
Антибиотики и внутрибольничные инфекции
Программа
Утверждения 6.13-6.15 с основным практическим занятием 14 (спецификация, стр.34): бактериостатические против бактерицидных антибиотиков; возникновение и распространение устойчивости к антибиотикам (естественный отбор); основное практическое занятие 14 изучает действие антибиотиков на бактерии; понимание причин внутрибольничных инфекций (гигиена, инвазивные процедуры, устойчивые штаммы) снижает их частоту.
Источник: Программа Cambridge International
Бактериостатические антибиотики останавливают рост бактерий; бактерицидные их убивают. Устойчивость возникает путем мутаций и распространяется через естественный отбор при любом воздействии, которое уничтожает восприимчивые штаммы и сохраняет устойчивые — завершение курса лечения и избегание ненужного применения замедляют этот процесс. Внутрибольничные инфекции процветают там, где уязвимые пациенты, инвазивные устройства и устойчивые штаммы встречаются вместе; гигиена рук, стерильные процедуры и изоляция носителей прерывают цепь передачи.
4.10
Разложение, ПЦР, профилирование и время смерти
Программа
Утверждения 6.16-6.20 (спецификация, стр.34-35): роль микроорганизмов в разложении и круговороте питательных веществ; полимеразная цепная реакция (денатурация, отжиг праймеров, элонгация) для амплификации ДНК; гель-электрофорез для разделения фрагментов ДНК по длине; профилирование ДНК для идентификации и определения родственных связей; определение времени смерти по температуре тела, окочиванию, степени мышечного тонуса и сукцессии насекомых на теле.
Источник: Программа Cambridge International
Редуценты recyclate углерод и азот — это система переработки отходов экосистемы. Полимеразная цепная реакция проходит циклы денатурации (95 °C), аннелинга праймеров (50–60 °C) и элонгации (72 °C), удваивая целевую ДНК каждый цикл: $n$ циклов дают $2^n$ копий. Гелевый электрофорез перемещает отрицательно заряженные фрагменты ДНК через гель — короткие фрагменты проходят дальше всего. Профиль положения полос идентифицирует особей (достаточно локусов отличаются между неродственными людьми) и оценивает родство (общие полосы).
Время смерти определяется четырьмя показателями: температурой тела (падает примерно на 1 °C в час, модифицируется размером, одеждой, воздухом), трупной окоченностью (наступает и проходит), степенью разложения и сукцессией насекомых на теле — прибытие каждого вида на определенном этапе метит временной интервал.
Разбор. Тело найдено при температуре ядра 22 °C в помещении 15 °C: $(37-22)/(1\ ^\circ\text{C per hour}) \approx 15$ часов — но прежде чем доверять этому расчету, необходимо указать допущения (покой, среднее телосложение).
Урожай фиксирует 60 000 кДж м⁻² год⁻¹, а респираторы 20 000. Рассчитайте NPP и энергию, достигающую третьего трофического уровня при 10 % передаче на каждом шаге.
Объясните, почему спектр действия является доказательством того, что хлорофилл осуществляет фотосинтез.
Различите направленную и стабилизирующую селекцию, приведя по одному примеру каждой.
Приведите две причины, по которым пищевая цепь редко превышает пять трофических уровней.
Культура растет от $5\times10^3$ до $4\times10^6$ за 6 часа. Рассчитайте k и время удвоения.
Объясните, почему вторая доза вакцины повышает титр антител гораздо быстрее первой.
Укажите разницу между бактериостатическими и бактерицидными препаратами и объясните, почему это важно для пациента со слабым иммунитетом.
Три цикла ПЦР из одной двойной спирали: сколько копий получится?
Температура ядра тела составляет 30 °C. Оцените время после смерти при стандартных предположениях и назовите один фактор, который увеличит истинный интервал.
Ответы: 1 АТФ и восстановленный НАДФ; 2 NPP $= 40\,000$; третий уровень $= 400\,\text{kJ m}^{-2}\text{yr}^{-1}$ (10 % от 4 000); 3 длины волн, которые лучше всего поглощает хлорофилл, являются длинами волн, которые лучше всего обеспечивают фотосинтез; 4 направленная — устойчивость к антибиотикам, смещающая среднее значение; стабилизирующая — вес новорожденных; 5 энергия теряется на каждом шаге на дыхание/тепло/экскрецию, поэтому остается мало; производители также теряют энергию на дыхание до первого перехода; 6 логарифмическая разница 2.903, $k = 2.903/(0.301\times6) = 1.61$ ч⁻¹, время удвоения ≈ 37 мин; 7 клетки памяти B сохраняются; второе воздействие выбирает клоны, которые быстро делятся, образуя плазматические клетки — вторичный иммунный ответ; 8 бактериостатические останавливают рост (иммунная система должна очистить), бактерицидные убивают напрямую — слабый иммунитет требует бактерицидной поддержки; 9 $2^3 = 8$ копий; 10 $(37-30)/1 = 7$ часов; тяжелая одежда или теплое помещение замедляют охлаждение, поэтому истинное время больше.
5
Дыхание, Внутренняя среда, Координация и Генная технология
Sprint for a bus and your body performs a symphony: muscles burn glucose faster, the heart doubles its output, ventilation deepens, sweat starts, and the kidney re-tunes its water recovery — all controlled without a conscious thought. This unit follows that machinery: respiration at molecular scale, muscle and heart at tissue scale, nerves and hormones as the controllers, and gene technology as the modern window onto it.
WBI15 Respiration, Internal Environment, Coordination and Gene Technology is the second IA2 unit: 1 hour 45 minutes, 90 marks. It assesses Topic 7 (Respiration, Muscles and the Internal Environment) and Topic 8 (Coordination, Response and Gene Technology), and one 20-mark question is built on a pre-released scientific article — you will have studied it in advance.
5.1
Respiration: four stages, one purpose
Программа
Заявления по теме 7 7.1-7.8 с основными практическими занятиями 15-16 (спецификация, стр.35-36). Общая реакция аэробного дыхания и дыхание как ступенчатый процесс, контролируемый ферментами; гликолиз в цитоплазме (фосфорилирование гексоз, субстратное фосфорилирование АТФ, восстановленный НАД, пируват; лактат в анаэробных условиях); связующая реакция и цикл Кребса в матриксе митохондрий (декарбоксилирование, АТФ, восстановленный НАД, восстановленный ФАД); окислительное фосфорилирование на кристах — транспортная цепь электронов перекачивает ионы водорода в межмембранное пространство, хемиосмос через АТФ-синтазу, кислород как конечный акцептор электронов; метаболизм лактата после анаэробных упражнений; дыхательный коэффициент DQ = CO2 выделено / O2 потреблено для углеводов (1.0), липидов (0.7) и белков (0.9); основные практические занятия 15-16 (респирометры и искусственное дыхание с бикарбонатным индикатором).
Источник: Программа Cambridge International
Respiration releases energy in steps, each catalysed by a specific enzyme. Aerobic respiration's summary:
electron transport chain pumps H⁺; chemiosmosis through ATP synthase; O₂ the final acceptor
most ATP
Anaerobic conditions stop the chain — reduced NAD cannot be recycled — so pyruvate accepts its hydrogen and becomes lactate 乳酸 in muscle. After exercise, lactate is carried to the liver and rebuilt into glucose (needing oxygen: the oxygen debt 氧债).
Respiratory quotient 呼吸商: $\mathrm{RQ} = \mathrm{CO_2}\ \text{produced} / \mathrm{O_2}\ \text{consumed}$. Carbohydrate 1.0, protein 0.9, lipid ≈ 0.7 — an organism's RQ reveals what it is burning.
Worked check. A respirometer shows 60 cm³ CO₂ produced and 60 cm³ O₂ consumed in the same interval: RQ = 1.0 — carbohydrate. A germinating seed with RQ 0.7 is burning lipid reserves.
5.2
Muscles: the sliding filament
Программа
Утверждения 7.9-7.11 (спецификация, стр.36): взаимодействие мышц, сухожилий, скелета и связок при движении (мышца тянет кость через сустав; сухожилия соединяют мышцу с костью; связки удерживают кости вместе); структура мышечного волокна (слияние многоядерных клеток, миофибриллы из актина и миозина); теория скользящих нитей сокращения (ионы кальция открывают сайты связывания, головки миозина с АТФ прикрепляются и тянут, актин скользит); быстро-сокращающиеся и медленно-сокращающиеся волокна и их адаптация к спринтерским упражнениям и выносливости.
Источник: Программа Cambridge International
A tendon 肌腱 joins muscle to bone; a ligament 韧带 joins bone to bone across a joint; muscles work in antagonistic pairs. A skeletal muscle fibre is a fused, multinucleate cell packed with myofibrils 肌原纤维 of actin 肌动蛋白 и myosin 肌球蛋白.
Contraction is the sliding filament cycle: an action potential releases Ca²⁺; calcium exposes actin's binding sites; the energised myosin head (its ATP split) attaches, pulls the actin, then detaches when new ATP binds — thousands of heads per second, each stroke a few nanometres.
Fast-twitch fibres: thick, few mitochondria, quick and powerful, fatigue fast (sprinting). Slow-twitch: many mitochondria, rich blood supply, myoglobin — endurance.
5.3
The heart's own clock and the medulla's override
Программа
Утверждения 7.12-7.13, 7.15 с основным практическим занятием 17 (спецификация, стр.36): миогенная природа сердечной мышцы; электрическая активность сердца начинается в синусовом узле, передается в атриовентрикулярный узел и по волокнам Пуркинье; контроль частоты сердцебиения и частоты дыхания со стороны сердечно-сосудистого центра и вентиляционного центра продолговатого мозга; сердечный выброс = ударный объем × частота сердцебиения и его расчет; изменения вентиляции и сердечного выброса во время упражнений; основное практическое занятие 17 использует записи спирометра для исследования влияния упражнений на придыхательный и выдыхательный объемы, частоту дыхания и минутный объем.
Источник: Программа Cambridge International
Cardiac muscle is myogenic 自主性的: it beats without nerve input. The sino-atrial node 窦房结 sets the pace; the wave spreads over the atria to the atrio-ventricular node, then along Purkyne fibres to the ventricles — atria contract first, ventricles a fraction later.
The cardiovascular control centre and the ventilation centre in the medulla oblongata 延髓 adjust both systems to demand: chemical receptors sense CO₂ and pH, baroreceptors pressure.
Worked check. At rest: 70 cm³ × 72 min⁻¹ ≈ 5.0 dm³ min⁻¹. During exercise: 120 cm³ × 150 min⁻¹ = 18 dm³ min⁻¹ — the table the exam loves. Ventilation rises in step, read from spirometer traces (tidal volume × breathing rate = minute ventilation 每分钟通气量).
5.4
Homeostasis and feedback
Программа
Утверждения 7.14, 7.16-7.17 (спецификация, стр.36): гомеостаз как поддержание внутренней среды в динамическом равновесии; отрицательная обратная связь удерживает переменные в узких пределах (и положительная обратная связь усиливает изменения); роль автономной нервной системы, адреналина в реакции «бей или беги» и гипоталамуса в терморегуляции (вазодилатация, потоотделение, дрожь, вазоконстрикция, взъерошивание волос).
Источник: Программа Cambridge International
Гомеостаз 稳态 holds the internal environment in dynamic equilibrium — not stillness, but variables oscillating inside narrow limits. Отрицательная обратная связь 负反馈 corrects deviations in either direction (the thermostat pattern); positive feedback 正反馈 amplifies them (a spiral, not a loop — as in an action potential or fever runaway).
Thermoregulation runs through the hypothalamus 下丘脑: heat loss by vasodilation and sweating; heat conservation by vasoconstriction, shivering and hair erection. Adrenaline 肾上腺素 prepares the fight-or-flight response — heart rate, blood glucose and airways all respond together.
5.5
The kidney: filter, reabsorb, fine-tune
Программа
Утверждения 7.18-7.21 (учеб. стр.36-37): макроскопическое и микроскопическое строение почки млекопитающих (корковое и мозговое вещество, лоханка; нефрон с гломерулой, капсула Боумена, проксимально-извитой канальцем, петлей Генле, собирательной трубкой); ультрафильтрация (высокое давление от приносящей артериолы, подоциты, базальная мембрана) и селективная реабсорбция в ПИК (глюкоза, аминокислоты, некоторые соли и вода); петля Генле и градиент водного потенциала в мозговом веществе; АДГ из гипофиза увеличивает проницаемость собирательной трубки для воды; образование мочевины в печени из избытка аминокислот (деamination, орнитиновый цикл детально не требуется).
Источник: Программа Cambridge International
Blood enters the nephron 肾单位's glomerulus at high pressure — the afferent arteriole is wider than the efferent — and small molecules are forced through podocytes and the basement membrane into Bowman's capsule 肾小囊 (ultrafiltration: everything except cells and large proteins). The proximal convoluted tubule 近曲小管 reabsorbs all glucose and amino acids plus most salts and water (active transport then osmosis). The loop of Henle 亨勒环 builds a water-potential gradient down the medulla by countercurrent multiplication. The collecting duct 集合管 makes the final decision: ADH 抗利尿激素 from the pituitary inserts aquaporins so more water is reabsorbed — concentrated urine when dehydrated, dilute when not.
Excess amino acids are deaminated 脱氨 in the liver; the toxic ammonia becomes urea 尿素 for excretion.
Worked check. ADH present → collecting duct walls permeable → water leaves down the gradient into the medullary blood → small volume, concentrated urine. Alcohol suppresses ADH — large volume, dilute.
5.6
Switching genes: transcription factors and epigenetics
Программа
Утверждение 7.22 (учеб. стр.37): как гены включаются и выключаются под действием транскрипционных факторов, связывающихся с ДНК (включая стероидные гормоны, проникающие в клетки и действующие как транскрипционные факторы); эпигенетика — метилирование ДНК и модификация гистонов, выключающие гены, и их последствия (например, молчание генов-супрессоров опухолей, импринтинг Прадера-Вилли); оперон lac как модель регуляции генов, где это уместно.
Источник: Программа Cambridge International
A transcription factor 转录因子 binds a gene's promoter and switches transcription on or off. Steroid hormones diffuse through the membrane and act as transcription factors themselves — one gene can serve several tissues. Epigenetics 表观遗传学 silences genes without changing the base sequence: methylation 甲基化 of DNA and modification of histones (acetylation) pack the DNA out of the transcription machinery's reach. Failures matter: a methylated tumour-suppressor gene cannot hold cell division in check; imprinting errors explain Prader–Willi syndrome.
5.7 5.8
Nerve impulses and synapses
Программа
Утверждения 8.1-8.7 (учеб. стр.37-38): структура сенсорных, ассоциативных и двигательных нейронов; покояющий потенциал, поддерживаемый натрий-калиевым насосом; возникновение потенциала действия (деполяризация, принцип «все или ничего», порог, реполяризация, период рефрактерности); проведение по безмиелинизованным аксонам и соленарное проведение в миелинизированных аксонах; строение и функция синапсов (выделение нейромедиатора, связывание с рецепторами, однонаправленность); влияние лекарств на нервные импульсы в синапсах (агонисты, ингибиторы, блокада обратного захвата ССИЗ).
Утверждения 8.8-8.10 (учеб. стр.38): организация нервной системы млекопитающих (ЦНС = головной и спинной мозг; ПНС, разделённая на соматическую и вегетативную, симпатическую и парасимпатическую); как рецепторы воспринимают раздражители (палочки и колбочки в сетчатке, фоторецепторы, терморецепторы, хеморецепторы, барорецепторы, проприорецепторы, ноцицепторы); рефлекторная дуга спинного мозга (серое и белое вещество) и её трёхнейронный путь; habituация как снижение реакции на повторяющийся стимул.
Источник: Программа Cambridge International
The resting neurone pumps Na⁺ out and K⁺ in (the sodium-potassium pump 钠钾泵), holding an interior at about −70 mV. A stimulus past порог 阈值 (about −55 mV) opens sodium channels: an all-or-nothing 全或无 action potential spikes to +30 mV, then potassium channels repolarise; the рефрактерный период 不应期 prevents backward travel and sets a maximum frequency.
In myelinated 有髓 neurones the impulse jumps node to node (saltatory conduction 跳跃传导) — far faster. At the synapse 突触, calcium entry triggers vesicles of neurotransmitter to fuse with the presynaptic membrane; the transmitter diffuses and binds postsynaptic receptors; enzymes then clear the gap. Drugs act here: SSRIs block serotonin re-uptake, so the signal persists; lidocaine blocks sodium channels; ecstasy (MDMA) floods the cleft with serotonin then depletes it.
The nervous system divides: CNS (brain, spinal cord) and PNS — somatic (voluntary) and autonomic (involuntary; sympathetic accelerates, parasympathetic calms). Receptors are transducers: rods (dim light, many per bipolar cell — sensitivity), cones (colour, one-to-one — acuity), plus thermoreceptors, chemoreceptors, baroreceptors, nociceptors 伤害感受器 (pain). The spinal reflex arc 反射弧 passes sensory → relay → motor neurone in the cord's grey matter — fast, involuntary, protective. Habituation 习惯化 is a decreasing response to a repeated harmless stimulus.
5.9
Plants: light and growth switches
Программа
Утверждения 8.11-8.12 с Основным практическим занятием 18 (учеб. стр.38): как фитохром (Pr, поглощающий красный свет, и Pfr, поглощающий дальний красный) регулирует цветение и прорастание; ауксин (ИАА) и гиббереллины в росте и прорастании (удлинение клеток, индукция ферментов в алеуроновом слое); практическое исследование растительных реакций с Основным практическим занятием 18 и рекомендуемое дополнительное практическое занятие по habituации.
Источник: Программа Cambridge International
Phytochrome 光敏色素 flips between Pr (absorbs red) and Pfr (absorbs far-red); sunlight's red bias leaves Pfr dominant, controlling germination and flowering by day length. Auxin 生长素 elongates cells by acidifying walls; gibberellins 赤霉素 induce enzymes (amylase in the aleurone layer) that mobilise starch in germination.
5.10
The brain and its chemistry
Программа
Утверждения 8.13-8.16 (спецификация, стр.38-39): координация через нервную и гормональную системы; расположение и функции полушарий головного мозга, гипоталамуса, гипофиза, мозжечка и продолговатого мозга; формирование изображений МРТ, фМРТ, КТ и ПЭТ и их применение; дисбаланс нейромедиаторов (дофамин при болезни Паркинсона, серотонин при депрессии) и то, как знания о химии мозга лежат в основе лекарственной терапии (L-допа преодолевает гематоэнцефалический барьер).
Источник: Программа Cambridge International
Landmarks and jobs: cerebral hemispheres 大脑半球 (voluntary, thought), cerebellum 小脑 (coordination, balance), hypothalamus и pituitary 垂体 below them (homeostasis, hormones), medulla oblongata (heart, breathing). MRI shows structure; fMRI shows activity via oxygenated-blood flow; CT fast structural scans; PET metabolism with radioactive tracers.
Chemistry first: Parkinson's is a dopamine 多巴胺 deficit — treated with L-Dopa, which crosses the blood-brain barrier and is converted to dopamine in the brain. Low serotonin links to depression — the target of SSRIs.
5.11 5.12
Gene technology
Программа
Утверждения 8.17-8.19 (спецификация, стр.39): получение лекарств с использованием генетически модифицированных организмов (инсулин из бактерий, человеческие белки из ГМО животных); получение рекомбинантной ДНК — рестриктазы разрезают в сайтах распознавания со «липкими» концами, ДНК-лигаза соединяет, плазмидные векторы с маркерными генами; трансформация клеток-хозяев (тепловой шок, электропорация); отбор по маркерному гену.
Утверждения 8.20-8.21 (спецификация, стр.39): микроматрицы для выявления активных генов (гибридизация мРНК); термин биоинформатика и его использование при сравнении последовательностей ДНК между видами и индивидуумами; риски и преимущества ГМО в сельском хозяйстве и медицине; такие применения, как рекомбинантный человеческий гормон роста и флуоресцирующие зебраfish.
Источник: Программа Cambridge International
Recombinant DNA 重组DNA: a restriction enzyme 限制性内切酶 cuts DNA at its recognition sequence, leaving sticky ends 黏性末端; the human gene (made without introns from mRNA) is spliced into a plasmid 质粒 with DNA ligase 连接酶; the plasmid transforms host bacteria; marker genes (antibiotic resistance or fluorescence) select the cells that took it up. Scale up in a fermenter and the bacteria secrete human insulin 胰岛素 — cleaner and safer than extracting from pigs. GM animals make human proteins in milk; risks and benefits of GM crops (resistance, yields versus gene flow to wild relatives) are the standard evaluation.
Microarrays 微阵列 identify active genes: sample mRNA hybridises to complementary probes on the chip; spots that fluoresce mark genes being transcribed. Bioinformatics 生物信息学 compares sequences across species and individuals — how relatedness is now measured.
5.11 5.12
Проверьте себя
Name the stage of respiration occurring in the mitochondrial matrix and one of its inputs.
A runner's muscles produce lactate. Explain why, and what happens to the lactate afterwards.
Myosin heads cannot detach without ATP. Explain what this means for muscles after death.
Calculate cardiac output for stroke volume 85 cm³ and heart rate 140 min⁻¹.
Explain why the afferent arteriole is wider than the efferent arteriole.
State two differences between negative and positive feedback, with one example of each.
Why does myelination increase conduction speed?
An axon's threshold is −55 mV. A stimulus moves it to −60 mV. What happens, and why?
Red light converts phytochrome to which form?
Explain why L-Dopa is given instead of dopamine itself.
A microarray spot fluoresces strongly. What does that show?
Why must the human insulin gene be made from mRNA rather than from genomic DNA when inserting into bacteria?
Answers: 1 the link reaction (or Krebs cycle) — input pyruvate (or acetyl); 2 oxygen is short so reduced NAD is recycled by reducing pyruvate to lactate; afterwards lactate goes to the liver and is converted back to glucose, using oxygen; 3 without ATP the myosin stays bound to actin — rigor mortis; 4 $85 \times 140 = 11\,900\ \text{cm}^3\,\text{min}^{-1} = 11.9\ \text{dm}^3\,\text{min}^{-1}$; 5 the pressure difference drives ultrafiltration of plasma into Bowman's capsule; 6 negative returns a variable toward its set point (thermoregulation); positive pushes it further away (fever rising); 7 the impulse jumps between nodes of Ranvier instead of depolarising the whole membrane — fewer, bigger steps; 8 nothing — threshold is not reached, so no action potential (all-or-nothing); 9 Pfr; 10 dopamine cannot cross the blood-brain barrier but L-Dopa can, and is converted to dopamine inside the brain; 11 that gene was being actively transcribed — its mRNA was present and hybridised; 12 bacteria cannot splice introns, so the gene must come from mature mRNA that already lacks them.