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Biology

Higher level paper 3

May 2016

978-1-78722-837-5

Copyright International Baccalaureate Organization 2016

44EP01

42 pages

M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX

Biology

Higher level

Paper 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. Increasingcarbondioxideconcentrationintheatmosphereleadstoacidiicationoftheocean.Thisinturnreducestheamountofdissolvedcalciumcarbonate.Astudywasundertakentoinvestigatetheeffectofincreasingtheconcentrationofatmosphericcarbondioxideonthecalciicationrateofmarineorganisms.Calciicationistheuptakeofcalciumintothebodiesandshellsofmarineorganisms.ThestudywasundertakeninsideBiosphere-2,alarge-scaleclosedmesocosm.Thegraphshowstheresultsofthedatacollection.

[Source:©InternationalBaccalaureateOrganization2016]

(a) Statetherelationshipbetweenatmosphericcarbondioxideandcalciicationrates. [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


(Question 1 continued)

(c) Outlineonewayinwhichreef-buildingcoralsareaffectedbyincreasingatmospheric carbon dioxide. [2]

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44EP04


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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44EP05

– 5 –

Turn over



(c) Explainhowaphidstyletscanbeusedtostudythemovementofsolutesin plant tissues. [3]

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44EP06

–6– M16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX

3. Achievingsuccessfulrootingofcuttingsisdificultinsomeshrubspecies.Anexperimentwasundertakentodeterminewhetherjuvenileshoots(J)ofshrubsrootmoresuccessfullythan mature shoots (M).

Rooting success /

%

100908070605040302010

0

Arbutus

unedo

Laurus

nobilis

Myrtus

communis

Olea

europaea

Phillyrea

latifolia

Pistacia

lentiscus

Viburnum

tinus

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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44EP07

– 7 –

Turn over



(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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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

0 28-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


(Option A, question 4 continued)

(b) Labelthediagramoftherelexarcwiththenamesoftheneuronsindicated. [2]

I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Receptors

intheskin

Effector (muscle)

[Source:adaptedfromhttp://image.tutorvista.com]

(c) Drawanarrowonthediagramoftherelexarctoshowthedirectionofimpulses. [1]


44EP10


(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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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



(c) Discusstheevidenceprovidedbythescattergraphforthehypothesisthathumanshave the largest relative brain mass to body mass ratio. [3]

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44EP12



6. Thegraphscomparethechangesinmembranepotentialthatresultfromacombinationofstimuli.GraphAshowstwoexcitatorypost-synapticpotentials(E1 and E2) acting on

aneuron.GraphBshowsoneexcitatory(E1) and one inhibitory (I1)post-synapticpotential,both acting on a neuron.


Withrespecttothegraphs,explainwhatismeantbysummation. [3]

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Membrane potential/ mV

Graph A Graph B

E1+E

2E

1+I

1I1

Time Time

0

-55-70

44EP13

– 13 –

Turn over



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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44EP14



(d) Outlineone way in which neurons can be altered by memory and learning. [2]

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44EP15

– 15 –

Turn over



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.Itisusedasarawmaterialintheproductionoflavourenhancers,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.ThegraphshowsthenumberofconirmedcasesofglyphosateresistantryegrassacrossAustraliabetween1996−2012.

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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(b) State twoenvironmentalbeneitsfromtheuseofgeneticallymodiiedglyphosateresistant soybeans. [2]

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(c) ExplaintheroleoftheAgrobacterium tumefaciensTiplasmidingeneticmodiication. [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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44EP22



12. Internationalagreementlimitsthehuntingofwhales.OnlythemeatoftheMinke,FinandHumpbackwhalesfromSouthernHemispherepopulationsisallowedtobesoldonthedomesticmarketinJapan.Scientistsobtainedivesamplesoffoodthatwerebeingsoldas“whalemeat”inaJapanesemarketplace.Theyidentiiedthespeciesandprobablegeographicoriginofthemeatusinggeneticanalysis.Theresultswereusedtoconstructthe cladogram.

100 %

98 %

>92 %

92 %

Minkewhale(Antarctic)Minkewhale(Australia)

Minkewhale(northAtlantic)sample 1

Humpbackwhale(northAtlantic)Humpbackwhale(northPaciic)sample 2

sample 3

Finwhale(Mediterranean)Finwhale(Iceland)

sample 4

sample 5

Hector’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,modiied,

adapted,performed,displayed,published,orsoldinwholeorinpart,withoutpriorwrittenpermissionfromthepublisher.]

(a) Usingthedatainthecladogram,statethereasonforsaleofSample1meatbeingillegalinJapan. [1]

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(b) Usingthedatainthecladogram,statethereasonforsaleofSample4meatbeingillegalinJapan. [1]

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(c) Outlinehowthepolymerasechainreaction(PCR)mighthavebeenusedinthisstudy. [3]

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(d) Explainhowsequencealignmentsoftwaremighthavebeenusedinthisstudy. [2]

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13. ExplainhowinfectionbyapathogencanbedetectedbyanELISAtestforantigens. [6]

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End of Option B

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Pleasedo not write on this page.


willnotbemarked.

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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 openieldandmovingtowardthecentreoftheforest.

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 continues on the following page)

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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. Theigureshowsthedistributionoftwospeciesoffreshwaterlatworms,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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(b) Explain,withrespecttotheexampleofP. montenegrina,whatismeantbyrealizedniche. [2]

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16. Thegraphisamodelshowingbiomassandrespirationlevelsinaieldwherefarmingstopsattimezeroandtheabandonedlanddevelopsintoforest.

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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(c) Explain the changes in biomass. [2]

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(d) Explainwhybiomasscontinuestoincreaseaftertherespirationlevelsplateau. [2]

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17. The Laysan Albatross (Phoebastria immutabilis) sometimes ingests plastic. A bolus is

apelletmadeofmaterialthatthealbatrosscannotdigest,sobringsitbackupfromitsstomachtoitsmouthandthenejectstheindigestiblematter.GraphAindicatesthemassofindigestiblenaturalmaterial,suchasbonesandoctopusbeaks,inthebolusofbirdsattwodifferentlocations.GraphBindicatesthemassofplasticinthebolusatbothlocations.

GraphA

Ma

ss / g

100908070605040302010

0

Oahu Kure Locations

GraphB

Ma

ss / g

100908070605040302010

0

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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(c) Outlinetheoriginofmicroplasticdebrisinthemarineenvironment. [2]

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(d) Usingmicroplasticsasanexample,outlinetheconceptofbiomagniication. [2]

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18. Evaluatethemethodsusedtoestimatepopulationsofmarineorganisms. [6]

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Option D — Human physiology

19. Thetablesummarizestherelativecontentofessentialaminoacidsindifferentfoods.Cysteineandtyrosineareclassiiedasbeing“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 continues on the following page)

44EP36


(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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44EP37

– 37 –

Turn over



(d) Outlinethecontrolofmilksecretionbyoxytocinandprolactin. [3]

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(e) Thediagramrepresentsalobulefromamammarygland.Themammaryglandisanexampleofanexocrinegland.

[Source:LuisABate,ProfessorofPhysiologyandEthology,UniversityofPrinceEdwardIsland.Usedwithpermission.]

Identifytwofeaturesofanexocrineglandvisibleinthediagram. [2]

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44EP38


(Option D continued)

20. Thegraphshowsthelengthoftimethatthecontentofamealtakestopassthroughthegutasafunctionofdigestiblemattercontent.Themoredigestiblematterpresentinthemeal,thelowerthedietaryibrecontent.

Mean residence time / h

70

60

50

40

30

20

10

00 20 40 60 80

Digestible matter /

%ofmassofmeal


(a) Estimatethemeanresidencetimeofamealwith50%digestiblematter. [1]

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44EP39

– 39 –

Turn over



(b) Explaintherelationshipbetweenpercentageofdigestiblematterandmeanresidencetime. [3]

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44EP40



21. ThediagramshowsanECGtracewiththeQRScomplexindicated.

QRScomplex

(a) OutlinetheeventsofthecardiaccyclethatareoccurringduringthisQRSinterval. [2]

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(b) Heartrateisaffectedbythehormoneepinephrine.Theactionofepinephrineismediatedbyachemicalcalledasecondmessenger.Explainthemechanismofactionofasecondmessenger. [3]

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44EP41

– 41 –

Turn over



(c) Duringcardiacarrest,theventriclesoftheheartmightbegintocontractinanuncoordinatedfashion.Outlinethetreatmentusedforthiscondition. [1]

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(d) Explaintheroleofchemoreceptorsintheregulationofventilationrate. [3]

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22. Outlinethewaysinwhichtheliverregulatesthechemicalandcellularcompositionof the blood. [6]

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End of Option D

44EP43

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