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44EP01
42 pages
M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
BiologyHigher levelPaper 3
Instructions to candidates
• Write your session number in the boxes above.• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Section A: answer all questions.• Section B: answer all of the questions from one of the options.• Write your answers in the boxes provided.• A calculator is required for this paper.• The maximum mark for this examination paper is [45 marks].
Option Questions
Option A — Neurobiology and behaviour 4 – 8
Option B — Biotechnology and bioinformatics 9 – 13
Option C — Ecology and conservation 14 – 18
Option D — Human physiology 19 – 22
1 hour 15 minutes
© International Baccalaureate Organization 2016
Thursday 5 May 2016 (morning)
2216 – 6003
Candidate session number
44EP02
– 2 – M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
Section A
Answer all questions. Write your answers in the boxes provided.
1. Increasingcarbondioxideconcentrationintheatmosphereleadstoacidificationoftheocean.Thisinturnreducestheamountofdissolvedcalciumcarbonate.Astudywasundertakentoinvestigatetheeffectofincreasingtheconcentrationofatmosphericcarbondioxideonthecalcificationrateofmarineorganisms.Calcificationistheuptakeofcalciumintothebodiesandshellsofmarineorganisms.ThestudywasundertakeninsideBiosphere-2,alarge-scaleclosedmesocosm.Thegraphshowstheresultsofthedatacollection.
[Source:©InternationalBaccalaureateOrganization2016]
(a) Statetherelationshipbetweenatmosphericcarbondioxideandcalcificationrates. [1]
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(b) Suggest oneadvantageofusingamesocosminthisexperiment. [1]
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(This question continues on the following page)
120
80
40
00 200 400 600 800
Calci�cation / mmol CaCO3m-2day-1
pCO2 / µatm
44EP03
– 3 –
Turn over
M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
(Question 1 continued)
(c) Outlineonewayinwhichreef-buildingcoralsareaffectedbyincreasingatmospheric carbon dioxide. [2]
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44EP04
– 4 – M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
2. The image shows a severed aphid stylet embedded in plant tissue.
(a) IdentifythetissuelabelledII. [1]
I.
II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stylet
(b) OutlineonepieceofevidencethatthetissuelabelledIisphloemtissue. [1]
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(This question continues on the following page)
44EP05
– 5 –
Turn over
M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
(Question 2 continued)
(c) Explainhowaphidstyletscanbeusedtostudythemovementofsolutesin plant tissues. [3]
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44EP06
–6– M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
3. Achievingsuccessfulrootingofcuttingsisdifficultinsomeshrubspecies.Anexperimentwasundertakentodeterminewhetherjuvenileshoots(J)ofshrubsrootmoresuccessfullythan mature shoots (M).
Rooting success / %
1009080706050403020100
Arbutusunedo
Laurusnobilis
Myrtuscommunis
Oleaeuropaea
Phillyrealatifolia
Pistacialentiscus
Viburnumtinus
M J M J M J M J M J M J M J
Key: mature shoots (M) juvenileshoots(J)
[Source:“EffectsofrejuvenationoncuttingpropagationofMediterraneanshrubspecies”byG.PignattiandS.Crobeddu,Forest@,vol.2,pp.290-295(Sep2005):Figure3.Usedwithpermission.]
(a) Distinguishbetweentherootingsuccessofthejuvenileshootsandthematureshoots. [1]
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(This question continues on the following page)
44EP07
– 7 –
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M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
(Question 3 continued)
(b) Suggest onereasonforthedifferenceintherootingsuccessinthejuvenileshootsandthe mature shoots. [1]
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(c) Outlineone variable that would need to be controlled in this experiment. [1]
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(d) Auxinisahormonethatcanbeappliedtoimprovethepercentagesuccessofrootinginthosestudyplantswithpoorrootingsuccess.Explaintheeffectsofauxinonplant cells. [3]
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44EP08
– 8 – M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
Section B
Answer all ofthequestionsfromoneoftheoptions. Write your answers in the boxes provided.
Option A — Neurobiology and behaviour
4. Synapticdensityisthenumberofsynapsesperunitvolume.Thegraphshowsthesynapticdensityfora28-week-oldfetus,andfrombirthtoage70.
Synaptic density ×108 mm–3
6
5
4
3
2
1
028-week Birth 2 4 6 81012 2 5 10 20 30 50 70
fetus Months Years
[Source:ReprintedfromBrain Research,163(2),PeterR.Huttenlocher,“Synapticdensityinhumanfrontalcortext–Developmentalchangesandeffectsofaging”,pp.195–205©1979,publishedbyElsevier.Usedwithpermission.]
(a) (i) Determine the age when synaptic density is highest. [1]
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(ii) Explainhowsynapticdensitydecreasesaftertheagedeterminedin(a)(i). [3]
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(Option A continues on the following page)
44EP09
– 9 –
Turn over
M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
(Option A, question 4 continued)
(b) Labelthediagramofthereflexarcwiththenamesoftheneuronsindicated. [2]
I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Receptors intheskin
Effector (muscle)
[Source:adaptedfromhttp://image.tutorvista.com]
(c) Drawanarrowonthediagramofthereflexarctoshowthedirectionofimpulses. [1]
(Option A continues on the following page)
44EP10
–10– M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
(Option A continued)
5. Thescattergraphshowstherelationshipbetweenbrainmassandbodymassforanumberofanimals.Somerepresentativeanimalsareindicatedwhilethedottedlinerepresentstherangeofvaluesseenforamuchlargergroupofanimals.
(a) State the relationship between body mass and brain mass. [1]
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(b) Identifytheanimalwiththelowestbrainmass. [1]
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(Option A continues on the following page)
GraphremovedforcopyrightreasonsPleasegoto:http://cr2chicago.weebly.com/with-every-drop/behavior-and-social-interaction-in-a-wet-world-part-ii-whale-
vocalizations-and-communication
44EP11
– 11 –
Turn over
M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
(Option A, question 5 continued)
(c) Discusstheevidenceprovidedbythescattergraphforthehypothesisthathumanshave the largest relative brain mass to body mass ratio. [3]
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(Option A continues on the following page)
44EP12
– 12 – M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
(Option A continued)
6. Thegraphscomparethechangesinmembranepotentialthatresultfromacombinationofstimuli.GraphAshowstwoexcitatorypost-synapticpotentials(E1 and E2) acting on aneuron.GraphBshowsoneexcitatory(E1) and one inhibitory (I1)post-synapticpotential,both acting on a neuron.
[Source:©InternationalBaccalaureateOrganization2016]
Withrespecttothegraphs,explainwhatismeantbysummation. [3]
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(Option A continues on the following page)
Membrane potential/ mV
Graph A Graph B
E1+E2E1+I1I1
Time Time
0
-55-70
44EP13
– 13 –
Turn over
M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
(Option A continued)
7. (a) WithrespecttoPavlov’sexperimentswithdogs,distinguishbetweentheconditionedand unconditioned stimulus. [3]
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(b) Thebirdknownastheblackcap(Sylvia atricapilla)traditionallymigratesfromitssummerbreedinggroundsinCentralEuropetoSpainandPortugalforthewinter.State twoadaptiveadvantagesofbirdmigration. [2]
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(c) Outlineonewayinwhichsynchronizedoestrusinfemalelionsincreasesthechancesofsurvivalandreproductionofoffspring. [2]
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(Option A continues on the following page)
44EP14
– 14 – M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX
(Option A, question 7 continued)
(d) Outlineone way in which neurons can be altered by memory and learning. [2]
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8. Explain how colour in the environment is detected by the eyes and relayed to the brain in humans. [6]
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End of Option A
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Option B — Biotechnology and bioinformatics
9. Succinateisindustriallyproducedbycontinuousfermentation.Itisusedasarawmaterialintheproductionofflavourenhancers,drugsandindustrialchemicals.OnemethodofincreasingtheproductionofsuccinateistogeneticallymodifyE. coli to express high levels offormatedehydrogenase(FDH1).ThisresultsintheproductionofhigherconcentrationsofNADH.Theengineeredpathwayisshownasabolddottedlineintheimage.
CO2
2NAD+
2NAD+
NAD+
NAD+
NADH
FDH1
Pyruvate
Acetyl-CoA
Ethanol
Acetate
Glucose
Succinate
Formate
Formate
Lactate NADH NAD+
NADH
2NADH
2NADH
[Source:Ka-YiuSan,E.D.ButcherProfessorofBioengineering,ProfessorofChemicalEngineering,RiceUniversity.]
(a) Usingthediagram,suggestareasonforhighconcentrationsofNADHfavouringtheproductionofsuccinate. [1]
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(Option B, question 9 continued)
(b) PredictonemetaboliteotherthansuccinatethatwillbeproducedingreateramountsiftheamountofNADHavailableisincreased. [1]
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(c) Outlinetheprocessofcontinuousculturefermentation. [2]
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(d) Outlineonereasonthisprocess,toincreasetheproductionofsuccinate,representspathway engineering.
[1]
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(Option B continued)
10. Annual ryegrass (Lolium rigidum)isaweedspeciesthathasbeensuccessfullycontrolledbytheapplicationoftheherbicideglyphosate.ThegraphshowsthenumberofconfirmedcasesofglyphosateresistantryegrassacrossAustraliabetween1996−2012.
Numberofresistant
populations
400
300
200
100
0 1996 2000 2004 2008 2012
Year
[Source:adaptedfromwww.grdc.com.au]
(a) (i) Outlinethepatternofchangeinresistantpopulationsofryegrassovertimein Australia. [1]
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(ii) Suggest onereasonforthepattern. [1]
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(Option B, question 10 continued)
(b) State twoenvironmentalbenefitsfromtheuseofgeneticallymodifiedglyphosateresistant soybeans. [2]
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(c) ExplaintheroleoftheAgrobacterium tumefaciensTiplasmidingeneticmodification. [3]
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11. ThedyeReactiveBlack5(RB5)iswidelyusedfordyeingintextileindustries.Removalofthedyefromfactorywaste-waterisimportantnotonlyforaestheticreasonsbutalsobecausethe dye can lead to mutations that may lead to cancer. Paenibacillus is a bacterium that can metabolizethedye.
(a) Suggest one way in which organisms such as Paenibacillus metabolizetoxic substances. [1]
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(b) ThedecontaminationsystemfortheremovalofthedyeusesasurfacetowhichPaenibacillus can attach. Suggest oneadvantageofprovidingasurfaceforattachment. [1]
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(c) Outlineanothernamedexampleofamicroorganismusedinbioremediation. [3]
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(Option B continued)
12. Internationalagreementlimitsthehuntingofwhales.OnlythemeatoftheMinke,FinandHumpbackwhalesfromSouthernHemispherepopulationsisallowedtobesoldonthedomesticmarketinJapan.Scientistsobtainedfivesamplesoffoodthatwerebeingsoldas“whalemeat”inaJapanesemarketplace.Theyidentifiedthespeciesandprobablegeographicoriginofthemeatusinggeneticanalysis.Theresultswereusedtoconstructthe cladogram.
100 %
98 %
>92 %
92 %
Minkewhale(Antarctic)Minkewhale(Australia)
Minkewhale(northAtlantic)sample 1
Humpbackwhale(northAtlantic)Humpbackwhale(northPacific)sample 2
sample 3Finwhale(Mediterranean)Finwhale(Iceland)
sample 4sample 5Hector’sdolphinCommerson’sdolphin
[Source:AdaptedfromC.S.BakerandS.R.Palumbi(1994),Science,256(5178),pages1538–1539.(http://www.soest.hawaii.edu/oceanography/courses_html/OCN331/Baker%26Palumbi.pdf).ReprintedwithpermissionfromAAAS.Readersmayview,browse,and/ordownloadmaterialfortemporarycopyingpurposesonly,providedtheseusesarefornoncommercialpersonalorclassroompurposes.Exceptasprovidedbylaw,thismaterialmaynotbefurtherreproduced,distributed,transmitted,modified,
adapted,performed,displayed,published,orsoldinwholeorinpart,withoutpriorwrittenpermissionfromthepublisher.]
(a) Usingthedatainthecladogram,statethereasonforsaleofSample1meatbeingillegalinJapan. [1]
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(Option B, question 12 continued)
(b) Usingthedatainthecladogram,statethereasonforsaleofSample4meatbeingillegalinJapan. [1]
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(c) Outlinehowthepolymerasechainreaction(PCR)mighthavebeenusedinthisstudy. [3]
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(d) Explainhowsequencealignmentsoftwaremighthavebeenusedinthisstudy. [2]
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(Option B continued)
13. ExplainhowinfectionbyapathogencanbedetectedbyanELISAtestforantigens. [6]
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Option C — Ecology and conservation
14. Wherehighamountsofammoniumionsarepresentinagriculturalareas,gaseousammoniacan be released into the atmosphere. This ammonia can dissolve and be carried across distancesandthenbedepositedthroughprecipitation.Inastudyoftheeffectsofdepositionofammoniuminaforest,soilsamplesweretakenstartingattheforestedgenexttoan openfieldandmovingtowardthecentreoftheforest.
Soil ammonia / mgkg–1 oven dry soil
35
30
25
20
15
10
5
00 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Distancefromforestedge/m
[Source:“Spatialvariationsofnitrogendepositionanditseffectonforestbiochemicalprocesses”,M.A.Suttonet al. CrownCopyright,courtesyForestryCommission,licensedundertheOpenGovernmentLicence.
http://www.forestry.gov.uk/fr/INFD-75PJ9E#sutton2001(accessedMay2016).]
(a) Outlinetheprocedurethatwasmostlikelyusedbytheresearcherstodecidewheretotakethesamples. [2]
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(Option C, question 14 continued)
(b) List twosourcesoftheammoniumintheforestsoilsapartfromdepositioninrainfall. [2]
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(c) Suggest onereasonforammoniumlevelsintheinterioroftheforestbeinglowerthanthe soil ammonium close to the edge. [1]
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(Option C continued)
15. Thefigureshowsthedistributionoftwospeciesoffreshwaterflatworms,Planaria gonocephala and Planaria montenegrina,overarangeofstreamtemperatures.GraphAandgraphBshowthedistributionswheneachspeciesisseparatefromtheother.GraphCshowsthedistributionwhentheyarefoundlivingtogether.
GraphA P. montenegrina
6.5 16.5 23.0Temperature / °C
GraphB P. gonocephala
6.5 16.5 23.0Temperature / °C
GraphC P. montenegrina
P. gonocephala
13.5
5 10 15 20 25 Temperature / °C
[Source:R.J.Putman(1994)Community Ecology,page63.©KluwerAcademicPublishersBoston.Usedwithpermission.]
(a) UsinggraphAandgraphB,compareandcontrastthetemperaturerangesofthetwospecieswhentheyarefoundseparately. [2]
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(Option C, question 15 continued)
(b) Explain,withrespecttotheexampleofP. montenegrina,whatismeantbyrealizedniche. [2]
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(Option C continued)
16. Thegraphisamodelshowingbiomassandrespirationlevelsinafieldwherefarmingstopsattimezeroandtheabandonedlanddevelopsintoforest.
Forestsuccession
Biomass
Respiration
0 20 40 60 80 100Years
[Source:From“TheStrategyofEcosystemDevelopment”byEugeneP.Odum.Science,18Apr1969:Vol.164,Issue3877,pp.262-270.ReprintedwithpermissionfromAAAS.]
(a) Describethechangeinbiomassoverthe100yearperiod. [2]
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(b) Outlinetheevidencefromthegraphthattheareahadplentifulrainfall. [2]
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(Option C, question 16 continued)
(c) Explain the changes in biomass. [2]
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(d) Explainwhybiomasscontinuestoincreaseaftertherespirationlevelsplateau. [2]
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(Option C continued)
17. The Laysan Albatross (Phoebastria immutabilis) sometimes ingests plastic. A bolus is apelletmadeofmaterialthatthealbatrosscannotdigest,sobringsitbackupfromitsstomachtoitsmouthandthenejectstheindigestiblematter.GraphAindicatesthemassofindigestiblenaturalmaterial,suchasbonesandoctopusbeaks,inthebolusofbirdsattwodifferentlocations.GraphBindicatesthemassofplasticinthebolusatbothlocations.
GraphA
Mas
s / g
1009080706050403020100
Oahu Kure Locations
GraphB
Mas
s / g
1009080706050403020100
Oahu Kure Locations
[Source:YoungLC,VanderlipC,DuffyDC,AfanasyevV,ShafferSA(2009)BringingHometheTrash:DoColony-BasedDifferencesinForagingDistributionLeadtoIncreasedPlasticIngestioninLaysanAlbatrosses?
PLoS ONE4(10):e7623.doi:10.1371/journal.pone.0007623]
(a) Suggest onereasonfortheLaysanAlbatrossingestingindigestibleplastic. [1]
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(b) SuggestareasonforthedifferenceiningestedplasticinthedietsoftheLaysan Albatross in the two locations. [2]
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(Option C, question 17 continued)
(c) Outlinetheoriginofmicroplasticdebrisinthemarineenvironment. [2]
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(d) Usingmicroplasticsasanexample,outlinetheconceptofbiomagnification. [2]
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(Option C continued)
18. Evaluatethemethodsusedtoestimatepopulationsofmarineorganisms. [6]
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Option D — Human physiology
19. Thetablesummarizestherelativecontentofessentialaminoacidsindifferentfoods.Cysteineandtyrosineareclassifiedasbeing“conditionallyessential”.Thequantityofeachaminoacidinaheneggissetas1.0andallothervaluesarerelativetotheheneggstandard.
Hen egg Human milk Cow milk
Isoleucine 1.0 1.1 1.1
Leucine 1.0 1.4 1.3
Valine 1.0 1.0 1.0
Threonine 1.0 1.0 0.9
Methionine and Cysteine 1.0 1.1 0.7
Tryptophan 1.0 1.6 1.3
Lysine 1.0 1.0 1.3
Phenylalanine and Tyrosine 1.0 1.0 0.9
Histidine 1.0 0.9 1.1
[Source:DataobtainedfromRobertMcGilvery,Biochemistry: A Functional Approach,1970,W.B.Saunders.]
(a) Outlinewhatismeantbythetermessentialaminoacid. [2]
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(Option D, question 19 continued)
(b) Phenylalanineisconvertedtotyrosinebytheenzymephenylalaninehydroxylase.
NH2
COOH
NH2
COOH
HO
Phenylalaninehydroxylase
Phenylalanine Tyrosine
(i) Deduce the reason that tyrosine is considered to be a conditionally essential amino acid. [1]
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(ii) Wheninfantswiththeconditionphenylketonuria(PKU)areleftuntreated,theyhaveabuild-upofphenylalanineinthebloodandhighlevelsofphenylalanineintheurine.Statethecauseofthiscondition. [1]
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(c) Evaluatehumanmilkasanoverallsourceofessentialaminoacids. [2]
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(Option D, question 19 continued)
(d) Outlinethecontrolofmilksecretionbyoxytocinandprolactin. [3]
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(e) Thediagramrepresentsalobulefromamammarygland.Themammaryglandisanexampleofanexocrinegland.
[Source:LuisABate,ProfessorofPhysiologyandEthology,UniversityofPrinceEdwardIsland.Usedwithpermission.]
Identifytwofeaturesofanexocrineglandvisibleinthediagram. [2]
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(Option D continued)
20. Thegraphshowsthelengthoftimethatthecontentofamealtakestopassthroughthegutasafunctionofdigestiblemattercontent.Themoredigestiblematterpresentinthemeal,thelowerthedietaryfibrecontent.
Mean residence time / h
70
60
50
40
30
20
10
00 20 40 60 80
Digestible matter / %ofmassofmeal
[Source:©InternationalBaccalaureateOrganization2016]
(a) Estimatethemeanresidencetimeofamealwith50%digestiblematter. [1]
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(Option D, question 20 continued)
(b) Explaintherelationshipbetweenpercentageofdigestiblematterandmeanresidencetime. [3]
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(Option D continued)
21. ThediagramshowsanECGtracewiththeQRScomplexindicated.
QRScomplex
(a) OutlinetheeventsofthecardiaccyclethatareoccurringduringthisQRSinterval. [2]
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(b) Heartrateisaffectedbythehormoneepinephrine.Theactionofepinephrineismediatedbyachemicalcalledasecondmessenger.Explainthemechanismofactionofasecondmessenger. [3]
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(Option D, question 21 continued)
(c) Duringcardiacarrest,theventriclesoftheheartmightbegintocontractinanuncoordinatedfashion.Outlinethetreatmentusedforthiscondition. [1]
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(d) Explaintheroleofchemoreceptorsintheregulationofventilationrate. [3]
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(Option D continued)
22. Outlinethewaysinwhichtheliverregulatesthechemicalandcellularcompositionof the blood. [6]
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End of Option D
44EP43
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