Муха и кукурузное растение могут выглядеть совершенно по-разному, однако оба являются живыми в тех же восьми аспектах и состоят из одного типа клеток. Этот первый раздел даёт вам термины для общего признака жизни — характеристик, присущих каждому организму, — и карту разнообразия жизни: пять групп организмов плюс вирусы, которые сами по себе не являются живыми, но всё же заражают каждое живое существо.
Edexcel International GCSE Биология 4BI1, Раздел 1 оценивается на обоих экзаменационных листах; ожидайте вопросов на прямой recall (воспроизведение) и «сравнение» по темам 1.1–1.4, часто один балл за характеристику и один балл за названный пример.
Признаки жизни
Каждый живой организм проявляет все восемь признаков: он получает питание (материал для энергии или роста), дышит (выделяет энергию из пищи), выделяет продукты обмена (удаляет отходы), реагирует на окружающую среду, движется, регулирует внутренние условия (поддерживает стабильность внутри себя), размножается и растёт и развивается. Мнемоническая формула MRS GREN перечисляет движение, размножение, чувствительность, рост, дыхание, выделение, питание — «регуляция внутренних условий» является восьмым признаком, который эта формула упускает, поэтому его нужно называть отдельно.
Вирус не проявляет ни одного из этих признаков самостоятельно — именно поэтому он не считается живым.
Разнообразие: пять групп и их отличительные признаки
Растения: многоклеточные; клетки содержат хлоропласты и осуществляют фотосинтез; клеточные стенки из целлюлозы; углеводы запасаются в виде крахмала или сахарозы. Примеры: злаковые (кукуруза) и травянистые бобовые (горох или фасоль).
Животные: многоклеточные; нет хлоропластов, фотосинтеза; нет клеточных стенок; обычно наличие нервной координации и перемещения из одного места в другое; углеводы запасаются в виде гликогена. Примеры: млекопитающие (человек) и насекомые (муха, комар).
Грибы: нет фотосинтеза; тело обычно представляет собой мицелий из нитевидных гиф, содержащих множество ядер; некоторые одноклеточные (дрожжи); клеточные стенки из хитина; питание путем секреции пищеварительных ферментов на пищу вне тела и абсорбции продуктов — сапротрофное питание; запасают гликоген. Примеры: Мукор (типичные гифы) и дрожжи (одноклеточные).
Протисты: микроскопические одноклеточные организмы. Амеба (прудовая вода) похожа на животную клетку; Хлорелла имеет хлоропласты и похожа на растительную. Патогенный пример — Plasmodium, который вызывает малярию.
Бактерии: микроскопические одноклеточные организмы с клеточной стенкой, клеточной мембраной, цитоплазмой и плазидами; они не имеют ядра, но обладают кольцевой хромосомой ДНК. Некоторые осуществляют фотосинтез; большинство питаются живыми или мертвыми организмами. Примеры: Lactobacillus bulgaricus (палочковидная, используется для производства йогурта) и Pneumococcus (сферическая, вызывает пневмонию).
Четырехстороннее сравнение, которое любят экзаменаторы: материал клеточной стенки (целлюлоза / отсутствует / хитин / бактериальная стенка), ядро (да / да / да / нет), хлоропласты (только у растений и некоторых протистов), запасной углевод (крахмал / гликоген / гликоген / —).
Патогены и вирусы
Патоген — любой организм или частица, вызывающая заболевание — программа допускает грибы, бактерии, протистов или вирусы.
Вирусы не являются живыми организмами: это мелкие частицы (меньше бактерий), паразитические, могут размножаться только внутри живых клеток; у них нет клеточного строения — только белковая оболочка, содержащая один тип нуклеиновой кислоты, ДНК или РНК (никогда оба одновременно). Выучите три названных примера с их заболеваниями: вирус мозаики табака (изменение цвета листьев табака — он препятствует образованию хлоропластов), вирус гриппа (грипп) и ВИЧ (СПИД).
Проверьте себя
Перечислите восемь характеристик, общих для всех живых организмов.
Назовите две особенности растительной клетки, которых нет у животной клетки.
Какая группа запасает углеводы в виде гликогена, а какая — в виде крахмала?
Опишите сапротрофное питание грибов, используя слова гифы, ферменты и абсорбировать.
Чем генетический материал бактерии отличается от генетического материала растительной клетки?
Назовите патогенного протиста и болезнь, которую он вызывает.
Назовите три причины, по которым вирусы не классифицируются как живые организмы.
Какой названный вирус препятствует образованию хлоропластов и каков видимый результат?
Ответы: 1 питание, дыхание, выделение, реакция на раздражители, движение, поддержание гомеостаза, размножение, рост; 2 хлоропласты и клеточная оболочка из целлюлозы; 3 животные и грибы запасают гликоген; растения запасают крахмал (или сахарозу); 4 грибы выделяют пищеварительные ферменты из своих гиф на мертвые органические вещества, затем поглощают растворимые продукты; 5 у бактерии нет ядра — кольцевая ДНК-хромосома плюс плазмиды — тогда как в растительной клетке ДНК находится в ядре; 6 Plasmodium — малярия; 7 отсутствует клеточное строение; могут размножаться только внутри живых клеток; не проявляют жизненных процессов самостоятельно; 8 вирус табачной мозаики — обесцвеченные листья с мозаичным рисунком.
One cell became many; many cells became tissues, organs and systems; and every system serves the same three jobs — taking in what the body needs, moving it to where it is used, and removing what the body must not keep. This section is the core of IGCSE Biology: cells and molecules, how substances cross membranes, nutrition in plants and humans, respiration, gas exchange, transport, excretion and coordination.
Edexcel International GCSE Biology 4BI1, Section 2 (statements 2.1–2.95) is the largest section of the course and feeds every long question on both papers. B-suffixed statements are the separate-science (Biology-only) extension; double-award students learn the unlettered core.
stores water and dissolved substances (large and permanent in plants)
2.5B Specialised cells develop by cell differentiation 细胞分化; 2.6B stem cells can replace damaged cells — advantages: treat conditions like paralysis or leukaemia; disadvantages: ethical concerns over embryos, risk of rejection and uncontrolled division.
Biological molecules and enzymes
Carbohydrates contain C, H, O; proteins add N; lipids are C, H, O with much less oxygen. Large molecules are chains of small units: starch and glycogen from simple sugars, protein from amino acids, lipid from fatty acids and glycerol. 2.9 Food tests: glucose — Benedict's (heated, blue → brick red); starch — iodine (yellow-brown → blue-black); protein — Biuret (blue → purple); fat — ethanol emulsion (cloudy white layer).
Enzymes 酶 are biological catalysts 生物催化剂: they speed metabolic reactions without being used up. Each has an active site 活性部位 the substrate must fit. Above an optimum temperature or away from the optimum pH, the active site changes shape (denaturation 变性) and the enzyme no longer works. Practical 2.12/2.14B follow amylase digesting starch at different temperatures or pH with iodine.
Movement into and out of cells
Diffusion 扩散 is the net movement of particles from a higher to a lower concentration (oxygen into blood). Osmosis 渗透 is the diffusion of water across a partially permeable membrane from a dilute to a more concentrated solution. Active transport 主动运输 moves substances against the gradient using energy from respiration (mineral ions into root hair cells). Rate increases with surface-area-to-volume ratio, concentration gradient and temperature, and decreases with distance.
Nutrition
Flowering plants. Photosynthesis converts light energy into chemical energy stored in glucose:
Limiting factors: carbon dioxide concentration, light intensity, temperature — each raises rate until another factor limits. Magnesium ions build chlorophyll (deficiency yellows leaves); nitrate ions build amino acids. 2.23: pondweed shows oxygen evolution; iodine tests a leaf for starch after blocking light, CO₂ or chlorophyll.
Humans. A balanced diet: carbohydrate, protein, lipid, vitamins A (night vision), C (connective tissue), D (calcium absorption), calcium (bones) and iron (haemoglobin), water, and dietary fibre. Energy needs rise with activity, growth (age) and pregnancy. The alimentary canal — mouth → oesophagus → stomach → duodenum and ileum → colon and rectum, with the pancreas supplying enzymes — moves food by peristalsis 蠕动. Digestion: amylase and maltase (starch → glucose), proteases (protein → amino acids), lipases (lipid → fatty acids + glycerol). Bile (made in the liver, stored in the gall bladder) neutralises stomach acid and emulsifies lipids into droplets. The ileum's wall is folded into villi 绒毛: huge surface area, one-cell-thick walls, dense capillary network — built for absorption.
Respiration and gas exchange
Respiration releases energy from glucose to make ATP, which supplies energy for muscle contraction, protein synthesis and active transport. Aerobic: glucose + oxygen → carbon dioxide + water (symbol equation: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O). Anaerobic (without oxygen): in animals glucose → lactic acid (less energy, oxygen debt); in plants and yeast glucose → ethanol + carbon dioxide.
Plants (2.40B–2.45B). Gases move by diffusion through stomata; the leaf's flat shape, air spaces and thin, moist surfaces serve gas exchange as they serve photosynthesis. By day, photosynthesis outweighs respiration, so the net exchange is CO₂ in and O₂ out; at night only respiration continues (net O₂ in, CO₂ out). Hydrogen-carbonate indicator shows this: orange → yellow with CO₂ (dark), orange → purple with less CO₂ (bright light).
Humans (2.46–2.50). The thorax: ribs, intercostal muscles, diaphragm, trachea → bronchi → bronchioles → alveoli, all in pleural membranes. Inhaling: intercostal muscles and diaphragm contract, the chest volume rises, pressure falls and air flows in. Smoking damages alveoli (emphysema), clogs arteries and raises coronary heart disease risk.
Transport
Unicellular organisms manage with diffusion alone — every part is close to the surface. Multicellular organisms need transport systems.
Plants.Xylem transports water and mineral ions from roots to leaves; phloem carries sucrose and amino acids between leaves and the rest of the plant. B-extension: root hair cells absorb water by osmosis; transpiration 蒸腾作用 is the evaporation of water from surfaces, mostly via stomata, faster in low humidity, high wind, high temperature and bright light.
Humans. Blood: plasma (carries CO₂, digested food, urea, hormones, heat), red blood cells (biconcave discs, no nucleus, full of haemoglobin 血红蛋白 — a large surface and short diffusion path for oxygen), white blood cells (phagocytes ingest pathogens; lymphocytes release specific antibodies), and platelets (clotting, B-extension; vaccination builds memory cells, B-extension).
The heart's right side pumps blood to the lungs, the left side to the body; exercise and adrenaline raise heart rate. Arteries carry blood away at high pressure (thick, elastic walls), veins return it at low pressure (wide lumen, valves), capillaries exchange materials (one-cell-thick walls). Risk factors for coronary heart disease include smoking, high-fat diet and lack of exercise.
Excretion
Plants lose waste O₂ and CO₂ through stomata. Humans excrete CO₂ (lungs), urea + water + ions (kidneys — water and urea also in sweat). B-extension: the kidney filters blood in nephrons (Bowman's capsule → glomerulus; ultrafiltration; selective reabsorption of all glucose at the proximal convoluted tubule; water reabsorbed from the collecting duct under ADH — osmoregulation). Urine holds water, urea and ions; the urinary system runs kidneys → ureters → bladder → urethra.
Coordination and response
Homeostasis 稳态 keeps the internal environment constant (water content, temperature). A coordinated response needs stimulus → receptor → effector. Plants respond to light (phototropism 向光性) and gravity (geotropism) — shoots grow towards light, roots downwards — controlled by auxin 生长素 accumulating on the shaded side of a shoot.
Nervous control is electrical, fast and short-lived; hormonal control is chemical in the blood, slower and longer-lasting. The CNS (brain and spinal cord) links to sense organs by nerves; at a synapse 突触 a neurotransmitter 神经递质 passes the signal between neurones.
The eye focuses by changing lens shape (near: more curved) and responds to light via the pupil. Skin temperature control: sweating cools by evaporation; vasodilation loses heat; vasoconstriction conserves it. Hormones: adrenaline (adrenal glands — fight or flight), insulin (pancreas — lowers blood glucose), testosterone (testes), progesterone and oestrogen (ovaries); B-extension adds ADH (pituitary), FSH and LH (pituitary — menstrual cycle).
Check yourself
Put in order of size: cell, organ, organelle, system, tissue.
Give two structures a plant cell has that an animal cell lacks, and one the animal cell has that most plant cells lack many of.
Name the small units that build proteins, starch and lipids.
State the colour changes for Benedict's, iodine and Biuret tests.
Why does heating an enzyme far above its optimum stop it working?
Distinguish diffusion, osmosis and active transport in one sentence each.
Write the balanced symbol equation for photosynthesis and for aerobic respiration.
Give two adaptations of the leaf for photosynthesis and two of the alveolus for gas exchange.
Why can a single-celled organism survive without a transport system?
Compare arteries, veins and capillaries by wall thickness, lumen size and function.
Outline what happens to glucose, water and urea as liquid passes along a nephron (B).
State the pathway of a reflex arc, and give one advantage of reflexes.
Answers: 1 organelle → cell → tissue → organ → system; 2 cellulose wall and chloroplasts (and a large permanent vacuole); animal cells contain many mitochondria; 3 amino acids; simple sugars; fatty acids and glycerol; 4 Benedict's blue → brick red (with glucose, heated); iodine yellow-brown → blue-black (with starch); Biuret blue → purple (with protein); 5 the active site changes shape (denaturation) so the substrate no longer fits; 6 diffusion — net movement down a concentration gradient; osmosis — water only, across a partially permeable membrane; active transport — against the gradient, using energy; 7 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (light, chlorophyll); C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O; 8 leaf: broad flat surface and palisade cells packed with chloroplasts (or air spaces/stomata); alveolus: one-cell-thin walls and enormous surface area (moist surface, capillary network); 9 its surface area is large compared with its volume, so diffusion reaches every part quickly enough; 10 arteries — thick muscular walls, narrow lumen, carry blood away at high pressure; veins — thin walls, wide lumen, valves, return blood at low pressure; capillaries — one-cell-thick walls, exchange materials; 11 (B) all glucose is selectively reabsorbed into the blood at the proximal convoluted tubule; water is reabsorbed from the collecting duct (controlled by ADH); urea is not reabsorbed and leaves in the urine with water and ions; 12 stimulus → receptor → sensory neurone → relay neurone (CNS) → motor neurone → effector; reflexes are rapid and automatic, protecting the body before harm is done.
Every living thing gets one chance to pass its genes on. Flowers do it with petals and pollen, humans with gametes and cycles of hormones — and the packets of information that pass are chromosomes, shuffled by meiosis and recombined at fertilisation. This section runs from flower structure to monohybrid crosses, from Darwin's finches to antibiotic-resistant bacteria.
Edexcel International GCSE Biology 4BI1, Section 3 (statements 3.1–3.39) is the genetics and reproduction section. Crosses and pedigrees carry reliable marks for students who lay out a genetic diagram properly.
Reproduction
Sexual reproduction needs two gametes; the offspring are genetically different. Asexual reproduction needs one parent; the offspring are genetically identical clones.
Flowering plants. Insect-pollinated flowers have large colourful petals, scent and nectar; wind-pollinated flowers are small and green, with light smooth pollen in huge quantities, anthers hanging outside and feathery stigmas.
After pollination 传粉 the pollen grain grows a pollen tube 花粉管 down the style; fertilisation 受精 follows, and the ovule becomes the seed while the ovary becomes the fruit. Germinating seeds live on their stored food reserves until the seedling can photosynthesise. Plants reproduce asexually by runners and artificially by cuttings.
Humans. The menstrual cycle: FSH 促卵泡激素 matures an egg in the ovary; the mature follicle releases oestrogen 雌激素, which thickens the uterus lining and triggers the LH surge that causes ovulation at about day 14; the empty follicle becomes a corpus luteum releasing progesterone 孕酮, holding the lining thick until day 28, when the falling hormone levels bring menstruation (B: FSH and LH from the pituitary).
The placenta supplies the embryo with oxygen and nutrients and removes waste; amniotic fluid protects it. Oestrogen and testosterone 睾酮 drive the development of secondary sexual characteristics.
Inheritance
The genome 基因组 is all an organism's DNA; a gene is a section of a DNA molecule coding for one protein. Genes sit on chromosomes in the nucleus. (B) DNA is a double helix 双螺旋 with paired bases — A–T and C–G; RNA is single-stranded with U replacing T. (B) Protein synthesis: transcription 转录 copies the gene to mRNA in the nucleus; translation 翻译 at the ribosome reads codons 密码子, each matched by a tRNA anticodon carrying its amino acid, building the chain.
Alleles 等位基因 are alternative forms of a gene. Vocabulary: dominant 显性 (shows if one copy present), recessive 隐性 (needs two), homozygous 纯合, heterozygous 杂合, genotype 基因型, phenotype 表型; (B) codominance 共显性 — both alleles expressed. Most features are polygenic, not single-gene.
A monohybrid cross, laid out to earn its marks: parents' genotypes → gametes → Punnett grid → phenotype ratio.
Worked check. Cystic fibrosis (cf, recessive): both parents heterozygous Cc × Cc. Gametes C or c. Offspring CC, Cc, Cc, cc — 3 unaffected : 1 affected; a 1-in-4 chance per child, the same chance every child.
Sex determination: XX female, XY male. Mother always gives X; father gives X or Y — a genetic diagram of X×X, X×Y gametes gives 1:1 female:male, and the father's gamete decides the sex.
Mitosis 有丝分裂 makes two cells with identical chromosomes — growth, repair, cloning, asexual reproduction. Meiosis 减数分裂 makes four genetically different haploid 单倍体 gametes (human diploid 46 → haploid 23), and random fertilisation of any sperm with any egg creates further variation.
Variation can be genetic, environmental, or both. Mutation 突变 is a rare, random change in DNA that can be inherited — mostly harmless, occasionally significant (B: a changed base can alter one amino acid and the protein's shape); ionising radiation and chemical mutagens such as tobacco chemicals raise mutation rates.
Evolution
Darwin's natural selection 自然选择, step by step: organisms produce more offspring than survive; variation exists within a species; those with characteristics best suited to the environment survive and reproduce, passing the alleles on; over generations the advantageous characteristic becomes more common.
Antibiotic resistance is selection in action: a random mutation makes one bacterium resistant; antibiotics kill the non-resistant majority; the resistant bacterium survives and reproduces — completing courses of antibiotics and avoiding overuse slows the spread, and resistant infections become hard to control.
Check yourself
Give two differences between sexual and asexual reproduction.
State two adaptations of a wind-pollinated flower.
What happens after the pollen tube reaches the ovule?
Which hormone surges at day 14, and what does it cause?
Define gene, allele and genome.
(B) Name the base that replaces thymine in RNA, and where translation happens.
Cross Cc × cc and give the phenotype ratio.
Why does the father's gamete determine the sex of a child?
Give two differences between mitosis and meiosis.
Explain antibiotic resistance by natural selection in three steps.
Answers: 1 sexual — two parents, genetically different offspring; asexual — one parent, genetically identical offspring; 2 light smooth pollen in large quantity; anthers hanging outside the flower with a feathery stigma (small dull petals, no nectar); 3 the male gamete fuses with the ovule's egg cell — fertilisation; the ovule becomes a seed and the ovary a fruit; 4 LH — ovulation (release of the egg); 5 gene — a DNA section coding for one protein; allele — an alternative form of a gene; genome — all the organism's DNA; 6 (B) uracil; at a ribosome; 7 gametes C, c and c, c → Cc, Cc, cc, cc — 1 unaffected : 1 affected; 8 the mother's egg always carries X; the sperm carries X or Y, so XX (female) or XY (male) depends on the sperm; 9 mitosis — two cells, identical, same (diploid) chromosome number, for growth/repair/asexual reproduction; meiosis — four cells, genetically different, half the number (haploid), for gametes; 10 a mutation gives one bacterium resistance; the antibiotic kills the non-resistant bacteria; the resistant one survives and reproduces, so resistance spreads.
Пруд содержит больше, чем просто воду: здесь существуют популяции, питающие друг друга, циркулирующие углерод и азот, а также реагирующие — иногда катастрофически — на то, что мы туда добавляем. Экология задает четыре вопроса: кто здесь живет (популяция, сообщество, местообитание, экосистема), кто кого ест (пищевые цепи, сети, пирамиды), что круговорачивается (углеродный и азотный циклы) и что мы с этим делаем (загрязнение, парниковые газы, эвтрофикация, вырубка лесов).
Edexcel International GCSE Biology 4BI1, Раздел 4 (утверждения 4.1–4.18B) поощряет точные определения и цикл углерода, нарисованный по памяти.
Организм в среде обитания
Популяция — все организмы одного вида в месте обитания; сообщество — все популяции в этом месте обитания; местообитание — само место; экосистема — это сообщество плюс его неживая среда. Численность популяции определяется абиотическими факторами (свет, вода, температура) и биотическими факторами (пища, хищники, болезни, конкуренция). Практические работы с квадратами позволяют оценить численность популяции (среднее количество на квадрат × общая площадь ÷ площадь квадрата), а (B) квадраты вдоль трансекты показывают распределение и биоразнообразие.
Отношения питания
Продуценты (растения) улавливают световую энергию; первичные консументы едят продуцентов; за ними следуют вторичные и третичные консументы; редуценты разлагают мертвые остатки. Стрелки в пищевой цепи направлены от съеденного к съедоку — в направлении потока энергии. Пирамиды количества могут перевертываться (одно дерево, много насекомых), но пирамиды биомассы и передачи энергии всегда сужаются вверх — потому что лишь около 10 % энергии одного уровня передается следующему: остальное теряется при дыхании, движении и выделении, а также в виде тепла.
Циклы внутри экосистем
Углерод: фотосинтез удаляет CO₂ из воздуха; питание передает углерод по цепям; дыхание (все организмы) и разложение возвращают его; сгорание ископаемого топлива высвобождает углерод, накопленный миллионы лет.
(B) Азот: азотфиксирующие бактерии превращают атмосферный N₂ в азотсодержащие соединения; редуценты разлагают мёртвую органику до аммиака; нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитратов, которые поглощают растения; денитрифицирующие бактерии возвращают азот в атмосферу.
Влияние человека
Загрязнение воздуха: диоксид серы растворяется в дожде, образуя кислотные осадки (повреждают листья, водоёмы, здания); угарный газ связывается с гемоглобином, снижая способность крови переносить кислород. Парниковые газы — водяной пар, углекислый газ, закись азота, метан и хлорфторуглероды — задерживают исходящее излучение; сжигание ископаемого топлива, вырубка лесов, сельское хозяйство и промышленность увеличивают их концентрацию, усиливая «парниковый эффект» (усиленный парниковый эффект), что приводит к глобальному потеплению, повышению уровня моря и изменению климата. Сточные воды в водоёмах стимулируют развитие микроорганизмов, потребляющих кислород. Эвтрофикация: вымывание удобрений в воду вызывает цветение водорослей; они погибают, а редуценты разрушают их, расходуя кислород — рыба задыхается.
(B) Вырубка лесов удаляет корневую систему и крону: дождь вымывает минеральные вещества из почвы, почва размывается, испарение и транспирация снижаются (меньше облаков и осадков), накопленный углерод возвращается в атмосферу, нарушая газовый баланс.
Проверьте себя
Дайте определения понятиям популяция, сообщество, местообитание и экосистема.
Почему пирамида численности может быть перевернутой, тогда как пирамида биомассы никогда не бывает инвертированной?
Объясните, почему между трофическими уровнями передаётся лишь около 10 % энергии.
Назовите четыре процесса круговорота углерода.
(B) Какие бактерии превращают аммиак в нитраты, а какие возвращают азот в атмосферу?
Почему угарный газ смертелен?
Назовите пять парниковых газов.
Опишите последовательность эвтрофикации в четырёх этапах.
(B) Приведите два последствия вырубки лесов для круговорота углерода и два для почвы.
Ответы: 1 популяция — все организмы одного вида в данном местообитании; сообщество — все популяции в данном местообитании; местообитание — среда обитания организмов; экосистема — сообщество плюс его среда обитания; 2 пирамида численности учитывает количество особей — одно огромное дерево может прокормить множество насекомых, переворачивая форму, тогда как биомасса отражает общую массу, которая всегда уменьшается на каждом уровне; 3 энергия теряется на каждом этапе при дыхании (тепло), движении и экскреции/выделении непереваренных остатков; 4 фотосинтез, дыхание, разложение, горение; 5 (B) нитрифицирующие бактерии; денитрифицирующие бактерии; 6 он связывается с гемоглобином прочнее, чем кислород, поэтому кровь переносит меньше кислорода к тканям; 7 водяной пар, углекислый газ, закись азота, метан, хлорфторуглероды; 8 удобрения смываются в воду → цветение водорослей → водоросли гибнут, размножаются редуценты → редуценты дышат, расходуя кислород → рыба и другие организмы погибают; 9 (B) углерод: меньше деревьев фотосинтезируют, а сжигание/горение высвобождает накопленный углерод; почва: вымывание минералов и эрозия без корней, снижение испарения и транспирации.
Использование живых организмов для производства пищи и лечения
Хлеб поднимается, йогурт густеет, инсулин спасает жизни — всё это продукты жизнедеятельности организмов, используемые человеком. В этом разделе рассматриваются способы повышения урожайности (теплицы, удобрения, защита от вредителей), масштабное выращивание микроорганизмов (ферментеры) и целенаправленное изменение организмов: селекционное разведение, генная инженерия и клонирование.
Edexcel International GCSE Biology 4BI1, Раздел 5 (утверждения 5.1–5.20B) завершает курс. Утверждения с буквой B (рыбоводство, микропроращивание, клонирование млекопитающих) относятся только к биологии.
Производство пищи
Культурные растения.Теплицы и полиэтиленовые туннели удерживают тепло и защищают культуры, позволяя фермерам контролировать освещённость, температуру, CO₂ и влажность; повышение концентрации CO₂ и температуры до оптимального уровня увеличивает скорость фотосинтеза и урожайность. Удобрения восполняют минеральные ионы (нитраты для аминокислот, магний для хлорофилла), которые почва теряет с каждым урожаем. Защита от вредителей: пестициды быстро и полностью уничтожают вредителей, но создают риск биоаккумуляции, нанося ущерб другим видам и оставляя остатки; биологическая защита (введение хищника вредителя) является самовоспроизводящейся и специфичной, но медленной и менее контролируемой, если вид-контролёра сам начинает распространяться.
Микроорганизмы.Дрожжи ферментируют сахар: в анаэробных условиях они производят углекислый газ (который поднимает тесто) и этанол; Lactobacillus превращает молочный сахар в молочную кислоту, густея при этом. Промышленный ферментер поддерживает микроорганизмы в оптимальных условиях: стерильные меры предосторожности (отсутствие загрязнения), питательные вещества, оптимальная температура и pH, аэрация (подача воздуха для аэробных культур) и перемешивание (равномерное распределение тепла и питательных веществ).
(B) Рыбоводство эффективно обеспечивает белком: поддерживайте качество воды, контролируйте хищничество (внутривидовое — среди рыб — и межвидовое), контролируйте болезни, удаляйте отходы, контролируйте качество и частоту кормления, а также селективно разведите быстро растущие штаммы.
Селекция
Выберите родителей с желаемыми характеристиками → скрестите их → отберите лучших потомков → повторяйте на протяжении нескольких поколений. Это позволяет получать растения с более высокой урожайностью, устойчивостью к болезням или морозоустойчивость, а также животных с большим количеством мяса, молока или спокойным поведением — но это сужает генетический пул, увеличивая уязвимость к болезням, и занимает много поколений.
Генетическая модификация (генная инженерия)
Рестрикционные эндонуклеазы разрезают ДНК в специфических участках; лигаза соединяет фрагменты ДНК вместе. Плазмида (или вирус) служит вектором: ген человеческого инсулина вырезается, вставляется в открытую плазмиду, а рекомбинантная ДНК поглощается бактериями, которые размножаются в ферментере, производя человеческий инсулин. ГМО-растения могут быть устойчивы к вредителям или гербицидам, либо производить больше еды. Организм, получивший гены от другого вида, называется трансгенным.
Клонирование (B)
Микроразмножение (культура тканей): небольшой эксплант выращивают in vitro на питательной среде с гормонами роста, получая генетически идентичные саженцы — коммерческие количества растений с желаемыми характеристиками, свободных от болезней и быстрорастущих. Клонирование млекопитающих: диплоидное ядро из зрелой клетки вставляют в энуклеированную яйцеклетку (собственное ядро удалено); клетка делится, образуя эмбрион, который помещают в матку-носитель — овца Долли. Склонированные трансгенные животные могут производить человеческие белки в молоке.
Проверьте себя
Назовите два способа, которыми теплица повышает урожайность культур.
Укажите одно преимущество и один недостаток биологического контроля.
Почему Lactobacillus загущает молоко?
Перечислите пять условий, которые поддерживает ферментер.
(B) Назовите два метода контроля хищничества в рыбоводстве.
Назовите два недостатка селекционного разведения.
Назовите фермент, разрезающий ДНК, и тот, который ее соединяет.
Что такое вектор в генной инженерии?
Объясните, почему бактерии с геном человеческого инсулина полезны как лекарство.
(B) Опишите этапы клонирования млекопитающего.
Ответы: 1 Задерживает тепло около оптимума; CO₂, свет и вода контролируемы (любые два); 2 Преимущество — самовосстанавливающийся, без остатков; недостаток — медленный, и вид-контролер может распространиться; 3 Он преобразует лактозу в молочную кислоту, которая сворачивает молочный белок; 4 стерильные условия, питательные вещества, оптимальная температура и pH, аэрация, перемешивание; 5 (B) сетчатые загоны против межвидовых хищников; снижение плотности посадки против внутривидового хищничества; 6 сужает генетический пул, поэтому болезнь распространяется легко; занимает много поколений.
Ответы продолжаются: 7 Рендизационные ферменты разрезают; лигаза соединяет; 8 плазмида или вирус, доставляющий рекомбинантную ДНК в клетку; 9 они быстро размножаются в ферментере, секретируя человеческий инсулин — безопасно и в промышленных масштабах; 10 (B) Диплоидное ядро из зрелой клетки → энуклеированная яйцеклетка → деление на эмбрион → имплантация в суррогатную мать.
Variation can be genetic, environmental, or both. Mutation
