AP Биология

Большая идея 4 — Взаимодействие систем: Биологические системы взаимодействуют, и эти системы и их взаимодействия проявляют сложные свойства.

Цель обучения 1.1.A: Объяснить, как свойства воды, возникающие благодаря ее полярности и водородным связям, влияют на её биологическую функцию.

• 1.1.A.1 Живые системы зависят от свойств воды для поддержания жизни.
  • 1.1.A.1.i Вода имеет полярность из-за образования полярных ковалентных связей между водородом и кислородом внутри молекул воды. Эта полярность способствует образованию водородных связей между и внутри биологических молекул.
  • 1.1.A.1.ii Вода обладает высокой удельной теплоемкостью, что позволяет поддерживать гомеостаз температуры тела в живых организмах.
  • 1.1.A.1.iii Вода обладает высокой теплотой испарения, что обеспечивает испарительное охлаждение окружающей среды. В живых организмах это свойство позволяет поддерживать температуру тела.
• 1.1.A.2 Водородные связи между соседними полярными молекулами воды приводят к когезии, адгезии и поверхностному натяжению.

Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 1.2.A: Описать состав макромолекул, необходимых живым организмам.

• 1.2.A.1 Атомы и молекулы из окружающей среды необходимы для создания новых молекул. Углерод, водород и кислород — наиболее распространенные элементы, используемые для построения биологических молекул, таких как углеводы, белки, липиды и нуклеиновые кислоты. Кроме того:
  • 1.2.A.1.i Сера используется в строительстве белков.
  • 1.2.A.1.ii Фосфор используется в строительстве фосфолипидов (тип липидов) и нуклеиновых кислот.
  • 1.2.A.1.iii Азот используется в строительстве нуклеиновых кислот.

Большая идея 4 — Взаимодействие систем: Биологические системы взаимодействуют, и эти системы и их взаимодействия проявляют сложные свойства.

Цель обучения 1.3.A: Описать химические реакции, которые строят и расщепляют биологические макромолекулы.

• 1.3.A.1 Гидролиз — это химическая реакция, связанная с разрывом ковалентных связей. Этот тип реакций расщепляет молекулы на более мелкие. Когда вода добавляется к связи между мономерами в полимере, связь разрывается. Ион водорода от молекулы воды присоединяется к одному мономеру, а гидроксильная группа молекулы воды — к другому мономеру, завершая реакцию.
• 1.3.A.2 Синтез дегидратации происходит, когда две меньшие молекулы соединяются посредством ковалентной связи. От одного мономера удаляется ион водорода, а от другого — гидроксильная группа. Это приводит к потере эквивалента молекулы воды из реагентов и соединению двух оставшихся мономеров. Соединение множества мономеров называется полимеризацией.

Большая идея 4 — Взаимодействие систем: Биологические системы взаимодействуют, и эти системы и их взаимодействия проявляют сложные свойства.

Цель обучения 1.4.A: Описать структуру и функции углеводов.

• 1.4.A.1 Моносахариды (простые сахара) являются мономерами для полисахаридов (сложные углеводы). Эти мономеры соединяются ковалентными связями, образуя полимеры, такие как сложные углеводы, которые могут быть линейными или разветвленными.
  • Иллюстративные примеры для 1.4.A.1:
    • Целлюлоза
    • Крахмал
    • Гликоген
  • Замечание об исключении: Молекулярная структура конкретных полимеров углеводов не входит в рамки экзамена AP.

Большая идея 4 — Взаимодействие систем: Биологические системы взаимодействуют, и эти системы и их взаимодействия проявляют сложные свойства.

Цель обучения 1.5.A: Описать структуру и функции липидов.

• 1.5.A.1 Липиды обычно неполярны и гидрофобны; их структура и функции определяются способом сборки субкомпонентов. Жирные кислоты можно классифицировать как насыщенные или ненасыщенные.
  • 1.5.A.1.i Насыщенные жирные кислоты содержат только одинарные связи между атомами углерода.
  • 1.5.A.1.ii Ненасыщенные жирные кислоты содержат как минимум одну двойную связь между атомами углерода, что вызывает изгиб углеродной цепи.
  • 1.5.A.1.iii Чем больше двойных связей в хвосте жирной кислоты, тем более ненасыщенным становится липид.
  • 1.5.A.1.iv Чем более ненасыщен липид, тем более жидким он является при комнатной температуре.
• 1.5.A.2 Липиды выполняют разнообразные функции у живых организмов. Примерами липидов являются жиры, стероиды, включая холестерин, и фосфолипиды.
  • 1.5.A.2.i Жиры обеспечивают запас энергии и поддерживают функцию клеток. В некоторых случаях они также служат теплоизоляцией, помогая млекопитающим сохранять тепло.
  • 1.5.A.2.ii Стероиды — это гормоны, поддерживающие физиологические функции, включая рост и развитие, энергетический метаболизм и гомеостаз.
  • 1.5.A.2.iii Холестерин обеспечивает необходимую структурную стабильность клеточных мембран животных.
  • 1.5.A.2.iv Фосфолипиды объединяются, образуя липидные бислои, встречающиеся в плазматических и клеточных мембранах.
  • Замечание об исключении: Молекулярная структура конкретных липидов не входит в рамки экзамена AP.

Большая идея 3 — Хранение и передача информации: Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизнедеятельности.

Цель обучения 1.6.A: Описать структуру и функции ДНК и РНК.

• 1.6.A.1 В нуклеиновых кислотах (ДНК и РНК) биологическая информация кодируется последовательностями нуклеотидных мономеров. Каждый нуклеотид имеет следующие структурные компоненты: пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза или рибоза), остаток фосфорной кислоты и азотистое основание (аденин, тимин, гуанин, цитозин или урацил).
• 1.6.A.2 Нуклеиновые кислоты имеют линейную последовательность нуклеотидов с концами, определенными гидроксильной группой 3' (три prime) и фосфатной группой 5' (пять prime) сахара в нуклеотиде. Во время синтеза нуклеиновых кислот нуклеотиды добавляются к 3'-концу растущей цепи, что приводит к образованию ковалентных связей между нуклеотидами.
  • Замечание об исключении: Молекулярная структура конкретных нуклеотидов не входит в рамки экзамена AP.
• 1.6.A.3 ДНК структурирована как антипараллельная двойная спираль, где две цепи нуклеотидов идут в противоположном направлении от 5' к 3'. В ДНК нуклеотиды аденина спариваются с нуклеотидами тимина посредством водородных связей (A-T), а нуклеотиды цитозина спариваются с нуклеотидами гуанина посредством водородных связей (C-G). В РНК аденин спаривается с урацилом (A-U).
• 1.6.A.4 Структурные различия между ДНК и РНК включают:
  • 1.6.A.4.i ДНК содержит сахар дезоксирибозу, а РНК содержит сахар рибозу.
  • 1.6.A.4.ii ДНК содержит азотистое основание тимин, а РНК содержит азотистое основание урацил.
  • 1.6.A.4.iii ДНК обычно двухцепочечная, тогда как РНК обычно одноцепочечная.

Большая идея 3 — Хранение и передача информации: Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизнедеятельности.

Цель обучения 1.7.A: Описать структуру и функции белков.

• 1.7.A.1 Белки представляют собой линейные цепи аминокислот, соединенные образованием ковалентных (пептидных) связей, которые образуются между карбоксильной группой ($-\text{COOH}$) одной аминокислоты и аминогруппой ($-\text{NH}_2$) следующей аминокислоты, что приводит к росту пептидной цепи.
• 1.7.A.2 Аминокислоты состоят из центрального атома углерода, связанного с атомом водорода, карбоксильной группой, аминогруппой и переменным R-группой. R-группу аминокислоты можно классифицировать по трем возможным химическим свойствам: гидрофобная/неполярная, гидрофильная/полярная или ионная. Взаимодействия этих R-групп определяют структуру и функцию данного участка белка.
• 1.7.A.3 Специфическая последовательность аминокислот в белках определяет первичную структуру полипептида, а также общую форму белка.
  • Замечание об исключении: Молекулярная структура аминокислот не входит в рамки экзамена AP.
• 1.7.A.4 Вторичные структуры белков образуются за счет локального сворачивания, возникающего в результате взаимодействий между атомами скелета полипептидной цепи аминокислотной цепи. Водородные связи формируют такие формы, как α-спирали и β-складчатые листы.
• 1.7.A.5 Трехмерная форма третичной структуры белка возникает в результате образования водородных связей, гидрофобных взаимодействий, ионных взаимодействий или дисульфидных мостиков.
• 1.7.A.6 Четверичная структура возникает в результате взаимодействий между несколькими полипептидными цепями. Все четыре уровня структуры белка определяют его функцию.

Большая идея 4 — Взаимодействие систем (SYI): Биологические системы взаимодействуют, и эти системы и их взаимодействия проявляют сложные свойства.

Учебная цель 2.1.A: Объяснить, как строение и функции субклеточных компонентов и органелл способствуют функционированию клеток.

• 2.1.A.1 Рибосомы состоят из рибосомной РНК (рРНК) и белков. Эти немембранные субклеточные структуры присутствуют в клетках всех форм жизни и отражают общее происхождение всей известной жизни. Рибосомы синтезируют белки в соответствии с последовательностями матричной РНК (мРНК).
• 2.1.A.2 Эндоплазматическая мембранная система представляет собой группу мембранных органелл и субклеточных компонентов (эндоплазматическую сеть (ЭП), аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли и транспортные везикулы, ядерную оболочку и плазматическую мембрану), которые совместно участвуют в модификации, упаковке и транспорте полисахаридов, липидов и белков внутриклеточно и межклеточно.
• 2.1.A.3 Эндоплазматическая сеть обеспечивает механическую поддержку, помогая клеткам сохранять форму, и участвует в внутриклеточном транспорте.
  • i. Шероховатая ЭП связана с мембранными рибосомами, обеспечивает компартментализацию клетки и помогает осуществлять синтез белков.
  • ii. Функции гладкой ЭП включают детоксикацию клеток и синтез липидов.
  • Исключительное утверждение: Знание конкретных функций гладкой ЭП в специализированных клетках выходит за рамки экзамена AP.
• 2.1.A.4 Аппарат Гольджи — это мембранная структура, состоящая из ряда уплощенных мембранных цистерн. Функции аппарата Гольджи включают:
  • i. Правильное сворачивание (фолдинг) и химическую модификацию Newly synthesized cellular products ( newly synthesized cellular products )
  • ii. Упаковку белков для транспорта.
  • Исключительное утверждение: Знание роли аппарата Гольджи в синтезе специфических фосфолипидов и упаковке специфических ферментов для лизосом, пероксисом и секреторных везикул выходит за рамки экзамена AP.
  • Иллюстративные примеры для 2.1.A.4:
    • Гликозилирование и другие химические модификации белков, происходящие в аппарате Гольджи, которые определяют функцию или таргетинг белка
• 2.1.A.5 Митохондрии имеют двойную мембрану, которая создает компартменты для различных метаболических реакций, участвующих в аэробном клеточном дыхании. Наружная мембрана гладкая, тогда как внутренняя мембрана сильно складчатая, образуя складки, что позволяет более эффективно синтезировать АТФ.
• 2.1.A.6 Лизосомы — это мембранные мешочки, содержащие гидролитические ферменты, переваривающие вещества. Лизосомы также играют роль в программируемой гибели клеток (апоптозе).
• 2.1.A.7 Вакуоли — это мембранные мешочки, выполняющие множество различных ролей.
  • i. В растительных клетках специализированная крупная вакуоль поддерживает тургорное давление за счет запасания питательных веществ и воды.
  • ii. В животных клетках вакуоли меньше по размеру, их больше, чем в растительных клетках, и они хранят клеточные материалы.
• 2.1.A.8 Хлоропласты — это специализированные органеллы, встречающиеся у растений и фотосинтезирующих водорослей. Хлоропласты содержат двойную мембрану и служат местом протекания фотосинтеза.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Учебная цель 2.2.A: Объяснить влияние соотношения площади поверхности к объему на обмен материалами между клетками или организмами и окружающей средой.

• 2.2.A.1 Соотношение площади поверхности к объему влияет на способность биологической системы получать необходимые питательные вещества, выводить продукты обмена, приобретать или рассеивать тепловую энергию, а также обмениваться химическими веществами и энергией с окружающей средой.
  • Соответствующие уравнения:
    • Объем сферы: $V = \dfrac{4}{3}\pi r^3$
    • Объем куба: $V = s^3$
    • Объем прямоугольного параллелепипеда: $V = lwh$
    • Объем цилиндра: $V = \pi r^2 h$
    • Площадь поверхности сферы: $SA = 4\pi r^2$
    • Площадь поверхности куба: $SA = 6s^2$
    • Площадь поверхности прямоугольного параллелепипеда: $SA = 2lh + 2lw + 2wh$
    • Площадь поверхности цилиндра: $SA = 2\pi rh + 2\pi r^2$
    • $r$ = радиус
    • $l$ = длина
    • $h$ = высота
    • $w$ = ширина
    • $s$ = длина одной стороны куба
  • Иллюстративные примеры для 2.2.A.1:
    • Соотношение SA/V и обмен
      • Корневые волоски
      • Запорные клетки
      • Эпителиальные клетки кишечника
    • Цили
    • Устьица
• 2.2.A.2 Площадь поверхности плазматической мембраны должна быть достаточной для адекватного обмена материалов.
  • i. Соотношение площади поверхности к объему может ограничивать размер и форму клетки. Меньшие клетки, как правило, имеют более высокое соотношение площади поверхности к объему, а также более эффективный обмен материалами с окружающей средой, чем крупные клетки.
  • ii. По мере увеличения объема клетки соотношение площади поверхности к объему уменьшается, а потребность во внутренних ресурсах возрастает.
  • iii. Для адекватного обмена материалов с окружающей средой необходимы более сложные клеточные структуры (например, складки мембран).
  • iv. По мере увеличения размеров организмов их отношение площади поверхности к объему уменьшается, что влияет на такие свойства, как скорость теплообмена с окружающей средой. Меньшие массы пропорционально обмениваются теплом с окружающей средой активнее, чем большие массы. По мере увеличения массы как отношение площади поверхности к объему, так и скорость теплообмена снижаются.
  • v. Существует связь между метаболической скоростью на единицу массы тела и размерами многоклеточных организмов; как правило, чем меньше организм, тем выше метаболическая скорость на единицу массы тела.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.3.A: Опишите роли каждого из компонентов клеточной мембраны в поддержании внутренней среды клетки.

• 2.3.A.1 Фосфолипиды имеют как гидрофильные, так и гидрофобные области. Полярные гидрофильные фосфатные группы фосфолипидов обращены к водной внешней или внутренней среде, в то время как неполярные гидрофобные жирнокислотные области обращены друг к другу внутри мембраны.
• 2.3.A.2 Встроенные белки могут быть гидрофильными (с заряженными и полярными боковыми группами), гидрофобными (с неполярными боковыми группами) или иметь оба типа областей.
  • i. Гидрофильные области белков находятся либо внутри самого белка, либо открыты для цитозоля (цитоплазмы).
  • ii. Гидрофобные области белков образуют поверхность, которая взаимодействует с жирными кислотами во внутренней части мембраны.

Цель обучения 2.3.B: Опишите жидкостную мозаичную модель клеточных мембран.

• 2.3.B.1 Плазматические мембраны состоят из структурного каркаса из молекул фосфолипидов, в которые встроены белки, стероиды (например, холестерин у позвоночных животных), гликопротеины и гликолипиды. Все эти компоненты могут перемещаться по поверхности клетки внутри мембраны, как показано в модели жидкой мозаики.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.4.A: Объясните, как структура биологических мембран влияет на селективную проницаемость.

• 2.4.A.1 Плазматические мембраны отделяют внутреннюю среду клетки от внешней. Селективная проницаемость является результатом наличия гидрофобного внутреннего слоя плазматической мембраны.
• 2.4.A.2 Маленькие неполярные молекулы, включая $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{O_2}$ и $\mathrm{CO_2}$, свободно проходят через мембрану. Гидрофильные вещества, такие как крупные полярные молекулы и ионы, движутся через мембрану с помощью встроенных каналов и транспортных белков.
• 2.4.A.3 Неполярные углеводородные хвосты фосфолипидов препятствуют движению ионов и полярных молекул через мембрану. Маленькие полярные незаряженные молекулы, такие как $\mathrm{H_2O}$ или $\mathrm{NH_3}$ (аммиак), проходят через мембрану в небольших количествах.

Цель обучения 2.4.B: Опишите роль клеточной стенки в поддержании структуры и функции клетки.

• 2.4.B.1 Клеточные стенки бактерий, архей, грибов и растений обеспечивают структурную границу, а также барьер проницаемости для некоторых веществ во внутренние или внешние клеточные среды, защищая от осмотического лизиса.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.5.A: Опишите механизмы, которые организмы используют для поддержания баланса растворенных веществ и воды.

• 2.5.A.1 Селективная проницаемость мембран позволяет формировать градиенты концентрации растворенных веществ через мембрану.
• 2.5.A.2 Пассивный транспорт — это чистое движение молекул из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией без прямого расхода метаболической энергии.
• 2.5.A.3 Активный транспорт требует прямого расхода энергии для перемещения молекул. В некоторых случаях активный транспорт используется для перемещения молекул из областей с низкой концентрацией в области с высокой концентрацией.

Цель обучения 2.5.B: Опишите механизмы, которые организмы используют для транспорта крупных молекул через плазматическую мембрану.

• 2.5.B.1 Процессы эндоцитоза и экзоцитоза требуют энергии для перемещения крупных веществ или больших количеств веществ внутрь и наружу клеток.
  • i. При эндоцитозе клетка поглощает крупные молекулы и частицы за счет складывания плазматической мембраны на себя и образования новых (малых) везикул, которые захватывают материал из внешней среды.
  • ii. При экзоцитозе внутренние везикулы выбрасывают материал из клетки путем слияния с плазматической мембраной и секреции крупных молекул наружу.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.6.A: Объясните, как структура молекулы влияет на ее способность проходить через плазматическую мембрану.

• 2.6.A.1 Облегченная диффузия требует транспортных или канальных белков для обеспечения движения заряженных ионов через мембрану.
  • i. Мембраны могут поляризоваться в результате движения ионов через мембрану.
  • ii. Заряженные ионы, включая $\mathrm{Na^+}$ (натрий) и $\mathrm{K^+}$ (калий), требуют канальных белков для прохождения через мембрану.
• 2.6.A.2 Облегченная диффузия обеспечивает движение крупных полярных молекул через мембраны без затрат энергии. В этом типе диффузии вещества движутся по градиенту концентрации.
• 2.6.A.3 Аквапорины транспортируют большие количества воды через мембраны.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.7.A: Объясните, как градиенты концентрации влияют на движение молекул через мембраны.

• 2.7.A.1 Внешняя среда может быть гипотонической, гипертонической или изотонической относительно внутренней среды клеток. Движение воды также можно описать как перемещение из гипотонических в гипертонические области. Вода движется осмосом из областей с высоким водным потенциалом в области с низким водным потенциалом.
  • Уравнение (Водный потенциал): $\psi = \psi_p + \psi_s$
    • где:
    • $\psi_p$ = потенциал давления
    • $\psi_s$ = потенциал растворенных веществ
  • Иллюстративные примеры для 2.7.A.1:
    • Сократительная вакуоль у простейших
    • Центральная вакуоль в растительных клетках

Цель обучения 2.7.B: Объяснить, как осморегуляторные механизмы способствуют здоровью и выживанию организмов.

• 2.7.B.1 Рост и гомеостаз поддерживаются за счет постоянного движения молекул через мембраны.
• 2.7.B.2 Осорегуляция поддерживает водный баланс и позволяет организмам контролировать внутренний состав растворенных веществ и водный потенциал. Вода перемещается из областей с низкой осмолярностью или концентрацией растворенных веществ в области с высокой осмолярностью или концентрацией растворенных веществ.
  • Уравнение (Потенциал растворенных веществ раствора): $\psi_s = -iCRT$
    • где:
    • $i$ = константа ионизации
    • $C$ = молярная концентрация
    • $R$ = давление-постоянная $\left(R = 0.0831 \dfrac{L \cdot bars}{mol \cdot K}\right)$
    • $T$ = температура по Кельвину (°C + 273)

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.8.A: Описать процессы, позволяющие ионам и другим молекулам перемещаться через мембраны.

• 2.8.A.1 Для активного транспорта молекул через мембрану и создания и поддержания электрохимических градиентов требуется метаболическая энергия (например, от АТФ).
  • i. Белки мембраны необходимы для активного транспорта.
  • ii. Натрий-калиевый насос $\mathrm{Na^+}/\mathrm{K^+}$ и АТФаза способствуют поддержанию мембранного потенциала.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.9.A: Описать мембранные структуры эукариотической клетки.

• 2.9.A.1 Мембраны и мембранные органеллы в эукариотических клетках обеспечивают компартментализацию внутриклеточных метаболических процессов и специфических ферментативных реакций.

Цель обучения 2.9.B: Объяснить, как внутренние мембраны и мембранные органеллы способствуют компартментализации функций эукариотической клетки.

• 2.9.B.1 Внутренние мембраны облегчают клеточные процессы путем минимизации конкурирующих взаимодействий и увеличения площади поверхности, где могут происходить реакции.

Большая идея 1 — Эволюция (EVO): Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Учебная цель 2.10.A: Описать сходства и/или различия в компартментализации между прокариотическими и эукариотическими клетками.

• 2.10.A.1 Мембранные органеллы, такие как митохондрии и хлоропласты, эволюционировали от некогда свободноживущих прокариотических клеток посредством эндосимбиоза.
• 2.10.A.2 Прокариоты обычно не имеют внутренних мембранных органелл, но обладают внутренними регионами со специализированными структурами и функциями.
• 2.10.A.3 Эукариотические клетки поддерживают внутренние мембраны, которые разделяют клетку на специализированные регионы.

Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 3.1.A: Объяснить, как ферменты влияют на скорость биологических реакций.

• 3.1.A.1 Структура и функции ферментов способствуют регуляции биологических процессов. Ферменты — это белки, являющиеся биологическими катализаторами, которые облегчают химические реакции в клетках за счет снижения энергии активации.
• 3.1.A.2 Для протекания химической реакции, опосредованной ферментом, форма и заряд субстрата должны быть совместимы с активным центром фермента. Это иллюстрируется моделью комплекса фермент-субстрат.

Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 3.2.A: Объяснить, как изменения в структуре фермента могут повлиять на его функцию.

• 3.2.A.1 Изменение молекулярной структуры компонента в ферментативной системе может привести к изменению его функции или эффективности.
  • i. Денатурация белков, таких как ферменты, происходит, когда структура белка нарушается изменением температуры, pH или химической среды, что исключает способность катализировать реакции.
  • ii. Температуры окружающей среды и pH вне оптимального диапазона для данного фермента вызовут изменения в его структуре (путем разрушения водородных связей), изменяя эффективность, с которой он катализирует реакции.
• 3.2.A.2 В некоторых случаях денатурация ферментов обратима, позволяя ферменту восстанавливать активность.

Цель обучения 3.2.B: Объяснить, как клеточная среда влияет на активность ферментов.

• 3.2.B.1 Относительные концентрации субстратов и продуктов определяют, насколько эффективно протекает ферментативная реакция.

Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 3.3.A: Описать роль энергии в живых организмах.

• 3.3.A.1 Все живые системы требуют поступления энергии.
• 3.3.A.2 Жизнь требует высокоупорядоченной системы и не нарушает первый и второй законы термодинамики.
  • i. Поступление энергии должно превышать потери, чтобы поддерживать порядок и обеспечивать работу клеточных процессов.
  • ii. Клеточные процессы, выделяющие энергию, могут быть связаны с клеточными процессами, требующими энергии.
  • iii. Значительная потеря порядка или потока энергии приводит к смерти.
  • Замечание об исключении: Студенты должны будут понять концепцию энергии, но уравнение свободной энергии Гиббса выходит за рамки экзамена AP.
• 3.3.A.3 Энергетические пути в биологических системах последовательны, что позволяет более контролируемый перенос энергии. Продуктом реакции в метаболическом пути обычно является реагентом для последующего шага в этом пути.

Цель обучения 3.3.B: Объяснить, как общие, консервативные и фундаментальные процессы и особенности подтверждают концепцию общего предка всех организмов.

• 3.3.B.1 Основные метаболические пути (например, гликолиз, окислительное фосфорилирование) сохраняются во всех признанных доменах (Археи, Бактерии и Эукариоты).

Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 3.4.A: Описать фотосинтетические процессы и структурные особенности хлоропласта, которые позволяют организмам улавливать и запасать энергию.

• 3.4.A.1 Фотосинтез — это серия реакций, использующих углекислый газ $(\mathrm{CO_2})$, воду $(\mathrm{H_2O})$ и световую энергию для производства углеводов и кислорода $(\mathrm{O_2})$.
  • i. Фотосинтезирующие организмы улавливают энергию солнца и производят сахара, которые могут использоваться в биологических процессах или запасаться.
  • ii. Фотосинтез впервые возник у прокариотических организмов.
  • iii. Научные данные подтверждают утверждение о том, что фотосинтез прокариот (цианобактерий) был ответственным за образование кислородной атмосферы.
  • iv. Прокариотические фотосинтетические пути легли в основу эукариотического фотосинтеза.
  • Уточнение об исключении: Запоминание этапов цикла Кальвина, структуры молекул и названий вовлеченных ферментов, за исключением АТФ-синтазы, выходит за рамки экзамена AP.
• 3.4.A.2 Строма и тилакоиды находятся внутри хлоропласта.
  • i. Строма — это жидкость внутри внутренней мембраны хлоропласта и вне тилакоида. Реакции фиксации углерода (цикл Кальвина) фотосинтеза протекают в строме.
  • ii. Тилакоидные мембраны содержат пигменты хлорофилла, организованные в два фотосистемы, а также белки электронно-транспортной цепи.
  • iii. Тилакоиды организованы в стопки, называемые гранами. Световые реакции фотосинтеза протекают в гранах.
• 3.4.A.3 Световые реакции фотосинтеза у эукариот включают серию координированных реакционных путей, которые улавливают энергию света для получения АТФ и НАДФН, обеспечивающих синтез органических молекул в цикле Кальвина. Это обеспечивает энергию для метаболических процессов.

Цель обучения 3.4.B: Объяснить, как клетки улавливают энергию света и передают ее биологическим молекулам для хранения и использования.

• 3.4.B.1 Реакции электронно-транспортной цепи (ЭТЦ) происходят в хлоропластах, митохондриях и через плазматические мембраны прокариот. При фотосинтезе электроны, проходящие через тилакоидную мембрану, захватываются и в конечном итоге передаются $\mathrm{NADP^+}$, восстанавливая его до НАДФН в фотосистеме I.
  • Исключенное содержание: Полные названия конкретных переносчиков электронов в электронно-транспортной цепи выходят за рамки экзамена AP.
  • Исключенное содержание: Конкретные этапы, названия ферментов и промежуточные продукты путей этих процессов выходят за рамки данной программы и экзамена AP.
• 3.4.B.2 Во время фотосинтеза хлорофиллы поглощают энергию света, повышая уровень энергии электронов в фотосистемах I и II. Затем вода расщепляется, поставляя электроны для замещения тех, что были потеряны фотосистемой II.
• 3.4.B.3 Фотосистемы I и II встроены в тилакоидные мембраны хлоропластов и соединены переносом электронов через ЭТЦ.
• 3.4.B.4 Когда электроны передаются между молекулами в серии окислительно-восстановительных реакций при прохождении через ЭТЦ, поперек тилакоидной мембраны устанавливается электрохимический градиент протонов (ионов водорода). Мембрана отделяет область с низкой концентрацией протонов снаружи тилакоидной мембраны от области с высокой концентрацией протонов внутри тилакоидной мембраны.
• 3.4.B.5 Образование протонного градиента связано со синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата посредством АТФ-синтазы. Поток протонов обратно через мембрано-связанную АТФ-синтазу благодаря хемиосмосу движет образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата; это называется фотофосфорилированием.
• 3.4.B.6 Энергия, уловленная в световых реакциях и переданная АТФ и НАДФН, обеспечивает производство углеводов из углекислого газа в цикле Кальвина. Это происходит в строме хлоропласта.

Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 3.5.A: Описать процессы и структурные особенности митохондрий, позволяющие организмам использовать энергию, запасенную в биологических макромолекулах.

• 3.5.A.1 Клеточное дыхание использует энергию биологических макромолекул для синтеза АТФ. Дыхание и брожение характерны для всех форм жизни.
• 3.5.A.2 Аэробное клеточное дыхание у эукариот включает серию координированных ферментативно-катализируемых реакций, улавливающих энергию из биологических макромолекул.
• 3.5.A.3 ЭТЦ передает электроны в серии окислительно-восстановительных реакций, устанавливающих электрохимический градиент поперек мембран.
  • i. При клеточном дыхании электроны, доставляемые НАДН и $\mathrm{FADH_2}$, передаются серии акцепторов электронов по мере их движения к конечному акцептору электронов, кислороду. Аэробные прокариоты используют кислород в качестве конечного акцептора электронов, тогда как анаэробные прокариоты используют другие молекулы.
  • ii. Перенос электронов через ЭТЦ сопровождается образованием протонного градиента поперек внутренней мембраны митохондрии, при этом мембрана(ы) отделяют область с высокой концентрацией протонов снаружи мембраны от области с низкой концентрацией протонов внутри мембраны. Складки внутренней мембраны увеличивают площадь поверхности, что позволяет синтезировать больше АТФ. У прокариот перенос электронов сопровождается перемещением протонов через плазматическую мембрану.
  • iii. Поток протонов обратно через мембрано-связанную АТФ-синтазу благодаря хемиосмосу движет образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Это называется окислительным фосфорилированием при аэробном клеточном дыхании.
  • iv. При аэробном клеточном дыхании расщепление связи между окислительным фосфорилированием и переносом электронов выделяет тепло. Это тепло может использоваться эндотермными организмами для регуляции температуры тела.
  • Исключенное содержание: Полные названия конкретных переносчиков электронов в электронно-транспортной цепи выходят за рамки экзамена AP.
  • Исключенное содержание: Конкретные этапы, названия ферментов и промежуточные продукты путей этих процессов выходят за рамки данной программы и экзамена AP.

Цель обучения 3.5.B: Объяснить, как клетки получают энергию из биологических макромолекул для обеспечения клеточных функций.

• 3.5.B.1 Гликолиз — это биохимический путь, который высвобождает энергию из молекул глюкозы для образования АТФ (из АДФ и неорганического фосфата), НАДН (из $\mathrm{NAD^+}$) и пирувата.
• 3.5.B.2 Пировиноградная кислота переносится из цитоплазмы в митохондрию, где происходит её окисление. В ходе этого процесса в цикле Кребса (цикле лимонной кислоты) выделяются электроны, что приводит к восстановлению $\mathrm{NAD^+}$ до NADH и FAD до $\mathrm{FADH_2}$, а также высвобождению $\mathrm{CO_2}$.
• 3.5.B.3 Цикл Кребса протекает в матриксе митохондрии. Во время цикла Кребса из органических промежуточных продуктов выделяется углекислый газ, синтезируется АТФ из АДФ и неорганического фосфата, а электроны передаются коферментами $\mathrm{NAD^+}$ и FAD.
• 3.5.B.4 Электроны, извлечённые в реакциях гликолиза и цикла Кребса, передаются NADH и $\mathrm{FADH_2}$ в электрон-транспортную цепь (ЭТЦ), расположенную во внутренней мембране митохондрии.
• 3.5.B.5 При передаче электронов между молекулами в последовательности реакций при прохождении через ЭТЦ устанавливается электрохимический градиент протонов (ионов водорода) через внутреннюю мембрану митохондрии. Значение pH внутри матрикса митохондрии выше, чем в межмембранном пространстве.
• 3.5.B.6 Ферментация позволяет гликолизу протекать в отсутствие кислорода и приводит к образованию органических веществ, таких как алкоголь и молочная кислота.
  • Утверждение об исключении: Запоминание этапов гликолиза и цикла Кребса, а также структур молекул и названий вовлечённых в них ферментов, выходит за рамки данной программы и экзамена AP.

Большая идея 3 — Хранение и передача информации: Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизнедеятельности.

Обучающий результат 4.1.A: Описать способы взаимодействия клеток друг с другом.

• 4.1.A.1 Клетки взаимодействуют друг с другом путём прямого контакта или на расстоянии посредством химической сигнализации.
  • Иллюстративные примеры для 4.1.A.1:
    • Иммунные клетки взаимодействуют путём клеточно-клеточного контакта: антигенпрезентирующие клетки (АПК), хелперы Т-лимфоцитов и цитотоксические Т-лимфоциты.

Обучающий результат 4.1.B: Объяснить, как клетки взаимодействуют друг с другом на коротких и длинных расстояниях.

• 4.1.B.1 Клетки взаимодействуют на коротких расстояниях с использованием локальных регуляторов, которые воздействуют на клетки, расположенные вблизи клетки, испускающей сигнал.
  • Иллюстративные примеры для 4.1.B.1:
    • Нейромедиаторы
    • Иммунный ответ растений
    • Чувствительность к плотности популяции (quorum sensing) у бактерий
    • Морфогены в эмбриональном развитии
• 4.1.B.2 Сигналы, выпускаемые одним типом клеток, могут преодолевать большие расстояния, достигая клеток другого типа.
  • Иллюстративные примеры для 4.1.B.2:
    • Инсулин
    • Гормон роста человека
    • Тиреоидные гормоны
    • Тестостерон
    • Эстроген

Большая идея 3 — Хранение и передача информации: Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизнедеятельности.

Обучающий результат 4.2.A: Описать компоненты пути трансдукции сигнала.

• 4.2.A.1 Пути трансдукции сигнала связывают восприятие сигнала с клеточным ответом.
• 4.2.A.2 Многие пути трансдукции сигнала включают модификации белков и каскады фосфорилирования.

Обучающий результат 4.2.B: Описать роль компонентов пути трансдукции сигнала в формировании клеточного ответа.

• 4.2.B.1 Сигнализация начинается с распознавания химического посредника — лиганда — рецепторным белком в целевой клетке.
  • i. Домен связывания лиганда рецептора узнаёт специфический химический посредник, которым может быть пептид (белок) или малая молекула.
  • ii. G-белковые рецепторы являются примером рецепторных белков у эукариот.
  • iii. Рецепторы могут располагаться на поверхности целевой клетки или в цитоплазме или ядре целевой клетки.
• 4.2.B.2 Сигнальные каскады передают сигналы от рецепторов к клеточным мишеням, часто усиливая входящие сигналы, что приводит к соответствующим ответам клетки. Ответами могут быть рост клетки, секреция веществ или экспрессия генов.
  • i. После связывания лиганда внутриклеточный домен рецепторного белка меняет свою форму, инициируя трансдукцию сигнала.
  • ii. Ферменты и вторичные посредники, такие как циклический АМФ (цАМФ), передают и усиливают внутриклеточный сигнал.
  • iii. Гормоны являются примером сигнального посредника, который может преодолевать большие расстояния в кровотоке.
  • iv. Связывание лигандов с лиганд-зависимыми ионными каналами может привести к открытию или закрытию канала.

Большая идея 3 — Хранение и передача информации: Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизнедеятельности.

Обучающий результат 4.3.A: Описать различные типы клеточных ответов, вызываемых путём трансдукции сигнала.

• 4.3.A.1 Трансдукция сигнала может приводить к изменениям в экспрессии генов и функциях клетки, что может изменить фенотип или привести к запрограммированной клеточной гибели (апоптозу).
  • Иллюстративные примеры для 4.3.A.1:
    • Использование микробами химических посредников для связи с соседними клетками и регуляции специфических путей в зависимости от плотности популяции (чувствительность к плотности популяции)
    • Стимуляция распада гликогена адреналином у млекопитающих

Обучающий результат 4.3.B: Объяснить, как изменение структуры любой сигнальной молекулы влияет на активность сигнального пути.

• 4.3.B.1 Изменения в путях трансдукции сигнала могут менять клеточные ответы. Мутации в любом домене рецепторного белка или в любом компоненте сигнального пути могут повлиять на последующие компоненты, изменяя дальнейшую трансдукцию сигнала.
  • Иллюстративные примеры для 4.3.B.1:
    • Цитокины регулируют экспрессию генов, обеспечивая репликацию и деление клеток.
    • Половые феромоны дрожжей запускают экспрессию генов спаривания.
    • Уровень этилена вызывает изменения в выработке различных ферментов, позволяя плодам созревать.
    • Гены HOX регулируют планы тела животных в процессе эмбрионального развития.
• 4.3.B.2 Вещества, взаимодействующие с любым компонентом сигнального пути, могут активировать или ингибировать этот путь.

Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 4.4.A: Объяснить, как положительная и отрицательная обратная связь помогают поддерживать гомеостаз.

• 4.4.A.1 Организмы используют механизмы обратной связи для поддержания внутренней среды в ответ на внутренние и внешние изменения.
  • i. Механизмы отрицательной обратной связи поддерживают гомеостаз за счет ослабления начального стимула для регуляции физиологических процессов. Если система нарушена или возмущена, механизмы отрицательной обратной связи возвращают систему к заданному уровню (установочному значению). Эти процессы протекают на молекулярном, клеточном и организменном уровнях.
    • Иллюстративные примеры для 4.4.A.1.i:
      • Регуляция уровня сахара в крови инсулином/глюкагоном
  • ii. Механизмы положительной обратной связи усиливают реакции и процессы у биологических организмов. Переменная, инициирующая реакцию, отодвигается дальше от исходного установочного значения. Усиление происходит, когда стимул дополнительно интенсифицируется, что, в свою очередь, запускает дополнительную реакцию, приводящую к изменению системы.
    • Иллюстративные примеры для 4.4.A.1.ii:
      • Лактация у млекопитающих
      • Начало родов при родах
      • Созревание плодов

Большая идея 3 — Хранение и передача информации: Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизнедеятельности.

Цель обучения 4.5.A: Описать события, происходящие в клеточном цикле.

• 4.5.A.1 Клеточный цикл — это строго регулируемая серия событий, контролирующих рост и размножение эукариотических клеток.
  • i. Клеточный цикл состоит из последовательных стадий интерфазы (G1, S, G2), митоза и цитокинеза.
  • ii. Фаза G1: Клетка метаболически активна, удваивает органеллы и цитоплазматические компоненты.
  • iii. Фаза S: ДНК находится в виде хроматина и реплицируется, образуя две сестринские хроматиды, соединенные центромерой.
  • iv. Фаза G2: Происходит синтез белков, АТФ вырабатывается в больших количествах, центриоли дублируются.
  • v. Клетка может войти в стадию (G0), на которой она больше не делится, но может вернуться в клеточный цикл в ответ на соответствующие сигналы.
  • vi. Неделящиеся клетки могут выйти из клеточного цикла или быть заблокированными на определенной стадии клеточного цикла.

Цель обучения 4.5.B: Объяснить, как митоз обеспечивает передачу хромосом от одного поколения клеток к следующему.

• 4.5.B.1 Митоз — это процесс, обеспечивающий передачу полного генома от материнской клетки двум генетически идентичным дочерним клеткам у эукариот.
  • i. Митоз играет роль в росте, восстановлении тканей и бесполом размножении.
  • ii. Митоз происходит последовательно (профаза, метафаза, анафаза, телофаза) и чередуется с интерфазой в клеточном цикле.
  • iii. Профаза: Сестринские хроматиды конденсируются, митотическое веретено начинает формироваться, центриоли перемещаются к противоположным полюсам клетки.
  • iv. Метафаза: Веретонные нитеи выравнивают хромосомы по экватору клетки.
  • v. Анафаза: Парные сестринские хроматиды разделяются, когда веретонные нитеи тянут хроматиды к полюсам.
  • vi. Телофаза: Митотическое веретено разрушается, формируется новая ядерная оболочка, затем происходит деление цитоплазмы.
  • vii. Цитокинез: В животных клетках образуется борозда деления, в растительных — клеточная пластинка, в результате чего образуются две новые дочерние клетки.

Большая идея 3 — Хранение и передача информации: Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизнедеятельности.

Цель обучения 4.6.A: Описать роль контрольных точек в регулировании клеточного цикла.

• 4.6.A.1 Ряд внутренних механизмов контроля или контрольных точек регулирует прогрессирование через клеточный цикл.
• 4.6.A.2 Взаимодействие между циклинами и циклинзависимыми киназами контролирует клеточный цикл.
  • Замечание об исключении: Знание конкретных пар циклин-CDK или факторов роста выходит за рамки экзамена AP.

Цель обучения 4.6.B: Описать последствия нарушений клеточного цикла для клетки или организма.

• 4.6.B.1 Нарушения клеточного цикла могут привести к раку или апоптозу (программированной гибели клеток).

Персистентное понимание (КЛЮЧЕВАЯ ИДЕЯ 3 — Хранение и передача информации): Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизненных процессов.

Цель обучения 5.1.A: Объяснить, как мейоз обеспечивает передачу хромосом от одного поколения к следующему.

• 5.1.A.1 Мейоз — это процесс, обеспечивающий образование гаплоидных половых клеток (гамет), иногда называемых дочерними клетками, у диплоидных организмов, размножающихся половым путем.
• 5.1.A.2 Мейоз I включает следующие этапы:
  • i. Профаза I: Гомологичные хромосомы спариваются и конденсируются, происходит синапс, затем могут образовываться хиазмы, мейотическое веретено начинает формироваться, центриоли перемещаются к противоположным полюсам клетки, а ядерная оболочка разрушается.
  • ii. Метафаза I: Мейотические веретонные нитеи выравнивают пары гомологичных хромосом по экватору клетки на метафазной пластине.
  • iii. Анафаза I: Гомологичные хромосомы разделяются, тогда как сестринские хроматиды остаются связанными, поскольку мейотические веретонные нитеи тянут хромосомы к полюсам.
  • iv. Телофаза I: Мейотическое веретено разрушается, формируется новая ядерная оболочка, образуется борозда деления (у животных) или клеточная пластинка (у растений), происходит цитокинез. Образуются две гаплоидные дочерние клетки (в конце мейоза I).
• 5.1.A.3 Мейоз II включает следующие этапы:
  • i. Профаза II: Формируется мейотическое веретено; сестринские хроматиды, соединенные центромерой, прикрепляются к мейотическому веретену.
  • ii. Метафаза II: Хромосомы выстраиваются по экваториальной пластине; кинетохор каждой хроматиды прикреплен к микротрубочке, отходящей от полюсов.
  • iii. Анафаза II: Белки в центромерах разрушаются, сестринские хроматиды расходятся и тянутся к противоположным полюсам клетки.
  • iv. Телофаза II: Мейотическое веретено деления разрушается, формируется новая ядерная оболочка, образуется борозда деления (у животной клетки) или клеточная пластинка (у растительной клетки), хроматиды начинают деспирализоваться, происходит цитокинез. Образуются четыре гаплоидные дочерние клетки, каждая из которых содержит не реплицированную хроматиду.

Цель обучения 5.1.B: Описать сходства и различия между фазами и результатами митоза и мейоза.

• 5.1.B.1 Митоз и мейоз схожи использованием веретена деления для перемещения хромосом, но различаются количеством образующихся клеток и генетическим составом дочерних клеток.

Персистентное понимание (КЛЮЧЕВАЯ ИДЕЯ 3 — Хранение и передача информации): Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизненных процессов.

Цель обучения 5.2.A: Объяснить, как процесс мейоза обеспечивает генетическое разнообразие.

• 5.2.A.1 Правильное разделение гомологичных хромосом в мейозе I и сестринских хроматид в мейозе II гарантирует, что каждая гамета получает гаплоидный (1n) набор хромосом, включающий ассортимент как материнских, так и отцовских хромосом. При неправильном разделении (нерасхождение) гаметы перестают быть гаплоидными.
• 5.2.A.2 В профазе I мейоза несестринские хроматиды обмениваются генетическим материалом посредством процесса, называемого кроссинговер (рекомбинация), что увеличивает генетическое разнообразие resulting gametes.
• 5.2.A.3 Половое размножение у эукариотов повышает генетическое разнообразие, включая кроссинговер, случайный ассортимент хромосом во время мейоза и последующее оплодотворение гамет.
  • Исключительное утверждение: Знание деталей циклов полового размножения у различных растений и животных выходит за рамки экзамена AP.

Пронизывающая идея (BIG IDEA 1 — Эволюция): Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Персистентное понимание (КЛЮЧЕВАЯ ИДЕЯ 3 — Хранение и передача информации): Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизненных процессов.

Цель обучения 5.3.A: Объяснить наследование генов и признаков согласно законам Менделя.

• 5.3.A.1 Законы менделизма о segregation и независимом ассортименте можно применять к генам, расположенным на разных хромосомах.
• 5.3.A.2 В большинстве случаев оплодотворение включает слияние двух гаплоидных гамет, восстанавливая диплоидный набор хромосом и увеличивая генетическое разнообразие в популяциях за счет создания новых комбинаций аллелей в зиготе.
  • i. Правила вероятности могут быть применены для анализа передачи одиночных генных признаков от родителей к потомству.
  • ii. Моногибридное, дигибридное и аналитическое скрещивания могут использоваться для определения того, являются ли аллели доминантными или рецессивными.
  • iii. Генотип организма — это совокупность аллелей, унаследованных одним организмом для одного или нескольких генов. Генотип организма может быть гомозиготным или гетерозиготным для каждого гена.
  • iv. Фенотип организма — это наблюдаемое проявление унаследованных признаков.
  • v. Паттерны наследования (аутосомный, генетически сцепленный, половой) и то, является ли аллель доминантным или рецессивным, часто можно предсказать по данным, включая родословные. Квадраты Пеннета могут использоваться для предсказания генотипов и фенотипов родителей и потомков.
  • Уравнение (Законы вероятности): Если $A$ и $B$ несовместны, то: $P(A \text{ or } B) = P(A) + P(B)$
  • Уравнение (Законы вероятности): Если $A$ и $B$ независимы, то: $P(A \text{ and } B) = P(A) \times P(B)$

Персистентное понимание (КЛЮЧЕВАЯ ИДЕЯ 3 — Хранение и передача информации): Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизненных процессов.

Цель обучения 5.4.A: Объяснить отклонения от модели Менделя наследования признаков.

• 5.4.A.1 Паттерны наследования многих признаков не следуют отношениям, предсказанным законами Менделя, и могут быть выявлены количественным анализом, когда наблюдаемые фенотипические отношения статистически отличаются от предсказанных.
  • i. Гены, расположенные на одной хромосоме, называются генетически сцепленными. Вероятность того, что эти сцепленные гены будут сегрегировать вместе во время мейоза, может быть использована для расчета карты расстояния (или картных единиц) между ними на хромосоме. Этот расчет называется картированием генов или генетической картой.
  • ii. Кодоминализация возникает, когда фенотип от обоих аллелей экспрессируется таким образом, что гетерозигота имеет другой фенотип, чем любой из гомозигот.
  • iii. Неполное доминирование возникает, когда ни один аллель гена не может маскировать другой, поэтому фенотип гетерозиготы представляет собой смешанную версию доминантного и рецессивного фенотипов.
• 5.4.A.2 Некоторые признаки, известные как половые признаки (X- или Y-сцепленные), определяются генами на половых хромосомах. Паттерн наследования половых признаков часто можно предсказать по данным, включая родословные, указывающие на генотипы и фенотипы как родителей, так и потомков.
  • Иллюстративные примеры для EK 5.4.A.2:
    • Половые признаки (X- или Y-сцепленные) находятся на половых хромосомах.
    • Половые признаки (X- или Y-сцепленные) наследуются с большей частотой у особей XY, чем у особей XX.
    • У некоторых видов хромосомная основа определения пола не основана на X и Y хромосомах (например, ZW у птиц, гаплодиплоидия у пчел).
• 5.4.A.3 Плейотропия — это явление, при котором экспрессия одного гена приводит к появлению множества признаков или эффектов; поэтому эти признаки не сегрегируют независимо.
• 5.4.A.4 Некоторые признаки являются результатом внеядерного наследования.
  • i. Хлоропласты и митохондрии случайно ассортируются в гаметы и дочерние клетки; следовательно, признаки, определяемые ДНК хлоропластов и митохондрий, не следуют простым менделевским правилам.
  • ii. У животных митохондрии обычно передаются через яйцеклетку, а не через сперматозоид; следовательно, признаки, определяемые митохондриальной ДНК, обычно наследуются по материнской линии.
  • iii. У растений митохондрии и хлоропласты передаются через семязачаток, а не через пыльцу; таким образом, признаки, определяемые митохондриями и хлоропластами, обычно наследуются по материнской линии.

Устойчивое понимание (БОЛЬШАЯ ИДЕЯ 4 — Взаимодействие систем): Биологические системы взаимодействуют, и эти системы, а также их взаимодействия обладают сложными свойствами.

Цель обучения 5.5.A: Объяснить, как один и тот же генотип может приводить к различным фенотипам при разных условиях окружающей среды.

• 5.5.A.1 Условия окружающей среды влияют на экспрессию генов и могут приводить к фенотипической пластичности (например, способности отдельных генотипов производить различные фенотипы).
  • Иллюстративные примеры для EK 5.5.A.1:
    • Рост и вес у людей
    • Окраска цветков в зависимости от pH почвы
    • Сезонная окраска шерсти у арктических животных
    • Определение пола у рептилий
    • Влияние повышенного УФ-излучения на выработку меланина у животных
    • Наличие противоположного типа спаривания на выработку феромонов у дрожжей и других грибов

Персистентное понимание (КЛЮЧЕВАЯ ИДЕЯ 3 — Хранение и передача информации): Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизненных процессов.

Цель обучения 6.1.A: Описать структуры, участвующие в передаче наследственной информации от одного поколения к другому.

• 6.1.A.1 Генетическая информация хранится в молекулах ДНК и передается последующим поколениям, а в некоторых случаях — и в молекулах РНК.
  • 6.1.A.1.i Прокариотические организмы обычно имеют кольцевые хромосомы.
  • 6.1.A.1.ii Эукариотические организмы обычно имеют несколько линейных хромосом, состоящих из ДНК. Эти хромосомы конденсированы с помощью гистонов и ассоциированных белков.
• 6.1.A.2 Прокариоты и эукариоты могут содержать плазмиды, которые являются внехромосомными кольцевыми молекулами ДНК.

Цель обучения 6.1.B: Описать характеристики ДНК, позволяющие использовать её в качестве наследственного материала.

• 6.1.B.1 Нуклеиновые кислоты проявляют специфическое комплементарное спаривание нуклеотидных оснований, которое сохраняется в ходе эволюции.
  • 6.1.B.1.i Пурины (гуанин и аденин) имеют двойное кольцо.
  • 6.1.B.1.ii Пиримидины (цитозин, тимин и урацил) имеют одинарное кольцо.
  • 6.1.B.1.iii Пурины спариваются с пиримидинами: аденин с тимином (или урацилом в РНК), гуанин с цитозином.

Персистентное понимание (КЛЮЧЕВАЯ ИДЕЯ 3 — Хранение и передача информации): Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизненных процессов.

Цель обучения 6.2.A: Описать механизмы копирования генетической информации для передачи между поколениями.

• 6.2.A.1 Репликация ДНК обеспечивает непрерывность наследственной информации.
  • 6.2.A.1.i Синтез ДНК происходит в направлении от 5' к 3'.
  • 6.2.A.1.ii Репликация является полуконсервативным процессом, означающим, что одна цепь ДНК служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи ДНК.
  • 6.2.A.1.iii Геликаза раскручивает цепи ДНК.
  • 6.2.A.1.iv Топоизомераза снимает суперспирализацию перед вилкой репликации.
  • 6.2.A.1.v ДНК-полимераза требует РНК-праймеров для начала синтеза ДНК.
  • 6.2.A.1.vi ДНК-полимераза синтезирует новые цепи ДНК непрерывно на ведущей цепи и прерывисто на отстающей цепи.
  • 6.2.A.1.vii Лигаза соединяет фрагменты на отстающей цепи.
  • Заявление об исключении: Названия этапов и конкретных ферментов, участвующих в процессе, за исключением ДНК-полимеразы, лигазы, РНК-полимеразы, геликазы и топоизомеразы, выходят за рамки экзамена AP.

Персистентное понимание (КЛЮЧЕВАЯ ИДЕЯ 3 — Хранение и передача информации): Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизненных процессов.

Цель обучения 6.3.A: Описать механизмы потока генетической информации от ДНК к РНК и далее к белку.

• 6.3.A.1 Последовательность нуклеотидных оснований РНК, вместе со структурой молекулы РНК, определяет функцию РНК.
  • 6.3.A.1.i Молекулы messenger РНК (mРНК) переносят информацию от ДНК в ядре к рибосомам в цитоплазме.
  • 6.3.A.1.ii Различные молекулы transfer РНК (tРНК) связывают специфические аминокислоты и имеют антикодоны, комплементарные кодонам mРНК. tРНК привлекается к рибосоме во время трансляции для образования первичной пептидной последовательности на основе последовательности mРНК.
  • 6.3.A.1.iii Молекулы ribosomal РНК (rРНК) являются функциональными строительными блоками рибосом.
• 6.3.A.2 РНК-полимеразы используют одну матричную цепь ДНК для направления включения оснований в Newly formed RNA molecule. Этот процесс называется транскрипцией.
• 6.3.A.3 Фермент РНК-полимераза синтезирует молекулы mРНК в направлении от 5' к 3', читая матричную цепь ДНК в направлении от 3' к 5'.
• 6.3.A.4 В эукариотических клетках транскрипт mРНК проходит серию модификаций, опосредованных ферментами.
  • 6.3.A.4.i Добавление полиА-хвоста делает mРНК более стабильной.
  • 6.3.A.4.ii Добавление кэпа GTP помогает в распознавании рибосомой.
  • 6.3.A.4.iii Исключение интронов, а также сплайсинг и сохранение экзонов порождают различные варианты зрелой молекулы mРНК. Этот процесс называется альтернативным сплайсингом.

Персистентное понимание (КЛЮЧЕВАЯ ИДЕЯ 3 — Хранение и передача информации): Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизненных процессов.

Цель обучения 6.4.A: Объяснить, как фенотип организма определяется его генотипом.

• 6.4.A.1 Трансляция mРНК в полипептид происходит на рибосомах, присутствующих в цитоплазме как прокариотических, так и эукариотических клеток, а также на поверхности шероховатой ЭПР эукариотических клеток.
• 6.4.A.2 У прокариотических организмов трансляция молекулы mРНК происходит одновременно с её транскрипцией.
• 6.4.A.3 Трансляция включает множество последовательных этапов, таких как инициация, элонгация и терминация. Ключевые особенности трансляции включают:
  • 6.4.A.3.i Трансляция начинается, когда рРНК в рибосоме взаимодействует с мРНК на стартовом кодоне (AUG, кодирующем аминокислоту метионин).
  • 6.4.A.3.ii Последовательность нуклеотидов в мРНК читается триплетами, называемыми кодонами.
  • 6.4.A.3.iii Каждый кодон кодирует определенную аминокислоту, которую можно определить с помощью таблицы генетического кода. Многие аминокислоты кодируются более чем одним кодоном.
  • 6.4.A.3.iv Почти все живые организмы используют одинаковый генетический код, что является доказательством общего происхождения всех живых существ.
  • 6.4.A.3.v тРНК доставляет правильную аминокислоту к месту, указанному кодоном в мРНК.
  • 6.4.A.3.vi Аминокислота переносится на растущую полипептидную цепь.
  • 6.4.A.3.vii Процесс продолжается вдоль мРНК до достижения стоп-кодона.
  • 6.4.A.3.viii Трансляция завершается высвобождением только что синтезированного белка.
  • Исключение: Детали и названия ферментов и факторов, участвующих в каждом из этих этапов, выходят за рамки экзамена AP.
  • Исключение: Запоминание генетического кода, за исключением стартового кодона AUG, выходит за рамки экзамена AP.
• 6.4.A.4 Генетическая информация в ретровирусах представляет собой особый случай и имеет альтернативный поток информации: от РНК к ДНК, что возможно благодаря обратной транскриптазе — ферменту, копирующему вирусный геном РНК в ДНК. Эта ДНК интегрируется в геном хозяина и транскрибируется и транслируется для сборки новых вирусных потомков.

Персистентное понимание (КЛЮЧЕВАЯ ИДЕЯ 3 — Хранение и передача информации): Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизненных процессов.

Цель обучения 6.5.A: Описать типы взаимодействий, регулирующих экспрессию генов.

• 6.5.A.1 Регуляторные последовательности — это участки ДНК, которые взаимодействуют с регуляторными белками для контроля транскрипции. Некоторые гены экспрессируются конститутивно, а другие являются индуцируемыми.
• 6.5.A.2 Эпигенетические изменения могут влиять на экспрессию генов посредством обратимых модификаций ДНК или гистонов.
• 6.5.A.3 Фенотип клетки или организма определяется сочетанием экспрессируемых генов и уровнями их экспрессии.
  • 6.5.A.3.i) Наблюдаемая дифференцировка клеток является результатом экспрессии генов, кодирующих тканеспецифичные белки.
  • 6.5.A.3.ii) Индукция транскрипционных факторов во время развития приводит к последовательной экспрессии генов.
  • 6.5.A.3.iii) Функция и количество продуктов генов определяют фенотип организмов.

Цель обучения 6.5.B: Объяснить связь между расположением регуляторных последовательностей и их функцией.

• 6.5.B.1) И прокариоты, и эукариоты имеют группы генов, которые координированно регулируются.
  • 6.5.B.1.i) Прокариоты регулируют опероны по индукционному или репрессируемому типу.
  • 6.5.B.1.ii) У эукариот группы генов могут быть под влиянием одних и тех же транскрипционных факторов для координированной регуляции экспрессии.

Персистентное понимание (КЛЮЧЕВАЯ ИДЕЯ 3 — Хранение и передача информации): Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизненных процессов.

Цель обучения 6.6.A: Объяснить, как связывание транскрипционных факторов с промоторными участками влияет на экспрессию генов и фенотип организма.

• 6.6.A.1) РНК-полимераза и транскрипционные факторы связываются с промоторными или энхансерными последовательностями ДНК для инициирования транскрипции. Эти последовательности могут находиться выше или ниже точки начала транскрипции.
• 6.6.A.2) Негативные регуляторные молекулы подавляют экспрессию генов, связываясь с ДНК и блокируя транскрипцию.

Цель обучения 6.6.B): Объяснить связь между регуляцией экспрессии генов и фенотипическими различиями у клеток и организмов.

• 6.6.B.1) Регуляция генов приводит к дифференциальной экспрессии генов и влияет на продукты и функции клеток.
• 6.6.B.2) Некоторые малые молекулы РНК играют роль в регуляции экспрессии генов.

Персистентное понимание (КЛЮЧЕВАЯ ИДЕЯ 3 — Хранение и передача информации): Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизненных процессов.

Цель обучения 6.7.A: Описать различные типы мутаций.

• 6.7.A.1) Изменения в последовательности ДНК являются мутациями, которые могут вызывать изменения типа или количества синтезируемого белка и соответствующий фенотип. ДНК-мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными в зависимости от эффекта или его отсутствия на образующуюся нуклеиновую кислоту или белок и фенотипы, которые передаются этим белком.
  • 6.7.A.1.i) Точечные мутации возникают, когда один нуклеотид замещается другим нуклеотидом.
  • 6.7.A.1.ii) Сдвиговые мутации возникают, когда один или несколько нуклеотидов вставляются или удаляются, вызывая сдвиг рамки считывания.
  • 6.7.A.1.iii) Бессмысленные мутации возникают при точечной мутации, которая вызывает преждевременное прекращение синтеза.
  • 6.7.A.1.iv) Молчаливые мутации возникают, когда изменение последовательности нуклеотидов не влияет на последовательность аминокислот.
  • Иллюстративные примеры для 6.7.A.1:
    • Мутации в гене CFTR нарушают транспорт ионов и приводят к муковисцидозу.
    • Мутации в гене MC1R обеспечивают адаптивный меланизм у песчаных мышей.
  • Исключение: Знание конкретных мутаций и их эффектов выходит за рамки экзамена AP.

Цель обучения 6.7.B): Объяснить, как изменения генотипа могут приводить к изменениям фенотипа.

• 6.7.B.1) Ошибки при репликации ДНК или механизмах ее восстановления, а также внешние факторы, включая радиацию и реактивные химические вещества, могут вызывать случайные мутации в ДНК.
  • 6.7.B.1.i) То, является ли мутация полезной, вредной или нейтральной, зависит от контекста окружающей среды.
  • 6.7.B.1.ii Мутации являются источником генетического разнообразия.
• 6.7.B.2 Ошибки в митозе или мейозе могут привести к изменениям фенотипа.
  • 6.7.B.2.i Изменения числа хромосом, вызванные недисъюнкцией, часто приводят к новым фенотипам вследствие трплоидии (анеуплоидии).
  • 6.7.B.2.ii Изменения числа хромосом часто приводят к расстройствам с ограничениями развития.
  • 6.7.B.2.iii Изменения структуры хромосом приводят к генетическим расстройствам.
  • Исключительное утверждение: Знание конкретных расстройств, связанных с изменениями числа хромосом, выходит за рамки экзамена AP.

Цель обучения 6.7.C: Объяснить, как изменения последовательностей ДНК способствуют изменчивости, которая может быть объектом естественного отбора.

• 6.7.C.1 Изменения генотипа могут влиять на фенотипы, подверженные естественному отбору. Генетические изменения, повышающие выживаемость и репродуктивный успех, могут отбираться под воздействием условий окружающей среды.
  • 6.7.C.1.i Горизонтальный перенос генетической информации у прокариотов посредством трансформации (поглощение ДНК), трансдукции (вирусный перенос генетической информации), конъюгации (передача ДНК между клетками) и транспозиции (перемещение сегментов ДНК внутри и между молекулами ДНК) увеличивает генетическую изменчивость.
  • 6.7.C.1.ii Связанные вирусы могут рекомбинировать генетическую информацию, если они инфицируют одну и ту же клетку-хозяина.
  • 6.7.C.1.iii Репродуктивные процессы, увеличивающие генетическую изменчивость, эволюционно консервативны и характерны для различных организмов.
  • Иллюстративные примеры для 6.7.C.1: Серповеклеточная анемия

Персистентное понимание (КЛЮЧЕВАЯ ИДЕЯ 3 — Хранение и передача информации): Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизненных процессов.

Цель обучения 6.8.A: Объяснить использование методов генной инженерии для анализа или манипулирования ДНК.

• 6.8.A.1 Методы генной инженерии могут использоваться для анализа и манипулирования ДНК и РНК.
  • 6.8.A.1.i Гелевый электрофорез — это процесс разделения фрагментов ДНК по размеру и заряду.
  • 6.8.A.1.ii Во время полимеразной цепной реакции (ПЦР) фрагменты ДНК амплифицируются путем денатурации ДНК, аннелинга праймеров к исходной цепи и удлинения новой молекулы ДНК.
  • 6.8.A.1.iii Трансформация бактерий вводит чужеродную ДНК в бактериальные клетки.
  • 6.8.A.1.iv Технологии секвенирования ДНК определяют порядок нуклеотидов в молекуле ДНК. Обычно эти методы позволяют создать ДНК-профиль, который дает возможность сравнивать последовательности ДНК из различных образцов.
  • Иллюстративные примеры для 6.8.A.1:
    • Амплифицированные фрагменты ДНК могут использоваться для идентификации организмов и проведения филогенетического анализа.
    • Анализ ДНК может применяться для судебной идентификации.
    • Генетически модифицированные организмы включают трансгенных животных.
    • Клонирование генов позволяет размножать фрагменты ДНК.
  • Исключительное утверждение: Знание деталей каждого из этих методов генной инженерии выходит за рамки экзамена AP.

Пронизывающая идея (BIG IDEA 1 — Эволюция): Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Цель обучения 7.1.A: Описать причины естественного отбора.

• 7.1.A.1 Естественный отбор является основным механизмом эволюции.
• 7.1.A.2 Согласно теории Чарльза Дарвина о естественном отборе, конкуренция за ограниченные ресурсы приводит к дифференциальной выживаемости. Индивидуумы с более благоприятными фенотипами имеют больше шансов выжить и оставить больше потомства, тем самым передавая эти благоприятные признаки последующим поколениям.

Цель обучения 7.1.B: Объяснить, как естественный отбор влияет на популяции.

• 7.1.B.1 Эволюционная приспособленность измеряется репродуктивным успехом.
• 7.1.B.2 Биотические и абиотические факторы среды могут колебаться, влияя на скорость и направление эволюции. В каждом поколении могут отбираться различные генетические вариации.

Пронизывающая идея (BIG IDEA 1 — Эволюция): Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Цель обучения 7.2.A: Описать важность фенотипической изменчивости в популяции.

• 7.2.A.1 Естественный отбор действует на фенотипическую изменчивость в популяциях.
• 7.2.A.2 Среда меняется и оказывает селекционное давление на популяции.
  • Иллюстративные примеры для 7.2.A.2: Время цветения в связи с глобальным изменением климата
• 7.2.A.3 Некоторые фенотипические вариации могут увеличивать или уменьшать приспособленность организма в определенных средах обитания.
  • Иллюстративные примеры для 7.2.A.3: Серповидноклеточная анемия; устойчивость насекомых к ДДТ

Цель обучения 7.2.B: Объяснить, как изменчивость молекул внутри клеток связана с приспособленностью организма.

• 7.2.B.1 Изменчивость количества и типов молекул внутри клеток может обеспечить популяциям большую способность к выживанию и размножению в разных средах.

Пронизывающая идея (BIG IDEA 1 — Эволюция): Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Цель обучения 7.3.A: Объяснить, как человек может влиять на разнообразие внутри популяции.

• 7.3.A.1 Посредством искусственного отбора человек изменяет изменчивость у других видов.

Пронизывающая идея (BIG IDEA 1 — Эволюция): Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Цель обучения 7.4.A: Объяснить, как случайные события влияют на генетический состав популяции.

• 7.4.A.1 Эволюция также движется случайными процессами.
  • i. Мутация — это случайный процесс, который добавляет новую генетическую изменчивость в популяцию.
  • ii. Генетический дрейф — это изменение частот аллелей, обусловленное неселективным процессом, происходящим в малых популяциях.
  • iii. Эффект бутылочного горлышка — это тип генетического дрейфа, возникающий, когда размер популяции сокращается до малого числа особей хотя бы на одно поколение.
  • iv. Эффект основателя — это тип генетического дрейфа, возникающий, когда часть популяции отделяется от остальных ее членов. Частота генов и признаков изменится в зависимости от генов этой новой популяции-основательницы.
  • v. Миграция может привести к потоку генов (добавлению или удалению аллелей из популяции).

Цель обучения 7.4.B: Описать роль случайных процессов в эволюции конкретных популяций.

• 7.4.B.1 Случайные процессы могут приводить к изменению частот аллелей в популяции.
  • i. Мутации приводят к генетической изменчивости, которая обеспечивает фенотипы, на которые действует естественный отбор.
  • ii. Генетический дрейф может позволить малой популяции дивергировать от других популяций того же вида.
  • iii. Поток генов между двумя популяциями предотвращает их дивергенцию в отдельные виды.

Цель обучения 7.4.C: Описать изменение генетического состава популяции со временем.

• 7.4.C.1 Изменения частот аллелей служат доказательством процесса эволюции в популяции.

Пронизывающая идея (BIG IDEA 1 — Эволюция): Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Цель обучения 7.5.A: Описать условия, при которых частоты аллелей и генотипов будут меняться в популяциях.

• 7.5.A.1 Равновесие Харди–Вайнберга — это модель для описания и прогнозирования частот аллелей в неэволюционирующей популяции. Условия для того, чтобы популяция или аллель находились в равновесии Харди–Вайнберга:

  • i. Большой размер популяции
  • ii. Отсутствие миграции
  • iii. Отсутствие новых мутаций
  • iv. Случайное скрещивание
  • v. Отсутствие естественного отбора

  Эти условия никогда не выполняются полностью, но они представляют ценную нулевую гипотезу.

• 7.5.A.2 Частоты аллелей в неэволюционирующей популяции можно рассчитать по частотам генотипов.

  • Уравнение: Уравнение Харди–Вайнберга— $p^2 + 2pq + q^2 = 1$; $p + q = 1$, где: $p$ = частота аллеля 1 в популяции; $q$ = частота аллеля 2 в популяции
  • Иллюстративные примеры для 7.5.A.2: Графический анализ частот аллелей в популяции

Пронизывающая идея (BIG IDEA 1 — Эволюция): Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Цель обучения 7.6.A: Описать типы данных, которые служат доказательствами эволюции.

• 7.6.A.1 Эволюция подтверждается научными данными из множества дисциплин (географические, геологические, физические, биохимические и математические данные).

Цель обучения 7.6.B: Объяснить, как морфологические, биохимические и геологические данные свидетельствуют о том, что организмы изменялись со временем.

• 7.6.B.1 Молекулярные, морфологические и генетические данные современных и вымерших организмов дополняют наше понимание эволюции.
  • **i.**化石可以通过多种方法进行定年。这些方法包括：1）化石所在岩石的年龄；2）同位素（包括碳-14）的衰变率；以及3）地理数据。
  • ii. Морфологические гомологии, включая рудиментарные органы, являются доказательством общего происхождения.
• 7.6.B.2 Сравнение нуклеотидных последовательностей ДНК и аминокислотных последовательностей белков предоставляет доказательства эволюции и общего происхождения.

Пронизывающая идея (BIG IDEA 1 — Эволюция): Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Цель обучения 7.7.A: Описать структурное и функциональное доказательство на клеточном и молекулярном уровнях, подтверждающее общее происхождение всех эукариот.

• 7.7.A.1 Структурное и функциональное доказательство указывает на общее происхождение всех эукариот. Это доказательство включает:
  • i. Мембранные органоиды
  • ii. Линейные хромосомы
  • iii. Гены, содержащие интроны

Пронизывающая идея (BIG IDEA 1 — Эволюция): Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Цель обучения 7.8.A: Объяснить, почему эволюция является непрерывным процессом во всех живых организмах.

• 7.8.A.1 Все виды эволюционировали и продолжают эволюционировать. Примеры включают:
  • i. Изменения генома со временем
  • ii. Непрерывные изменения в палеонтологической летописи
  • iii. Эволюция устойчивости к антибиотикам, пестицидам, гербицидам или химиотерапевтическим препаратам
  • iv. Эволюция патогенов и появление новых заболеваний

Пронизывающая идея (BIG IDEA 1 — Эволюция): Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Цель обучения 7.9.A: Описать типы доказательств, которые могут быть использованы для вывода эволюционной связи.

• 7.9.A.1 Филогенетические деревья и кладограммы показывают гипотетические эволюционные связи между линиями развития, которые можно проверить.
• 7.9.A.2 Филогенетические деревья показывают количество изменений за время, откалиброванное с помощью ископаемых или молекулярных часов, тогда как кладограммы не отображают временную шкалу или эволюционную разницу между группами.
• 7.9.A.3 Признаки, приобретенные или утраченные в ходе эволюции, могут использоваться для построения филогенетических деревьев и кладограмм. Внешняя группа представляет собой линию развития, которая наименее тесно связана с остальными организмами в филогенетическом дереве или кладограмме.
  • i. Общие производные признаки могут присутствовать в нескольких линиях развития и указывать на общее происхождение. Они полезны при построении филогенетических деревьев и кладограмм.
  • ii. Молекулярные данные обычно предоставляют более точные и надежные доказательства при построении филогенетических деревьев или кладограмм, чем морфологические признаки.

Цель обучения 7.9.B: Объяснить, как филогенетические деревья и кладограммы могут быть использованы для вывода степени эволюционной близости.

• 7.9.B.1 Филогенетические деревья и кладограммы могут использоваться для иллюстрации видообразования, которое произошло. Узлы на дереве представляют последнего общего предка любых двух групп или линий развития.
• 7.9.B.2 Филогенетические деревья и кладограммы могут быть построены на основе морфологического сходства живых или ископаемых видов, а также сходства последовательностей ДНК и белков.
• 7.9.B.3 Филогенетические деревья и кладограммы представляют собой гипотезы, которые постоянно пересматриваются на основании новых данных.

Пронизывающая идея (BIG IDEA 1 — Эволюция): Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Цель обучения 7.10.A: Описать условия, при которых могут возникать новые виды.

• 7.10.A.1 Видообразование происходит, когда две популяции становятся репродуктивно изолированными друг от друга.
• 7.10.A.2 Биологическая концепция вида предоставляет обычно используемое определение вида для организмов, размножающихся половым путем. Она гласит, что вид можно определить как группу, способную к межвидовому скрещиванию и обмену генетической информацией для производства жизнеспособного, плодородного потомства.

Цель обучения 7.10.B: Описать скорость эволюции и видообразования в различных экологических условиях.

• 7.10.B.1 Пунктуационное равновесие — это состояние, когда эволюция происходит быстро после длительного периода стагнации. Градуализм — это состояние, когда эволюция происходит медленно на протяжении сотен тысяч или миллионов лет.
• 7.10.B.2 Дивергентная эволюция происходит, когда адаптация к новым средам обитания приводит к фенотипической диверсификации. Скорость видообразования может быть особенно высокой во времена адаптивной радиации, когда становятся доступными новые среды обитания.
• 7.10.B.3 Конвергентная эволюция происходит, когда аналогичные seleктивные давления приводят к схожим фенотипическим адаптациям в разных популяциях или видах.

Цель обучения 7.10.C: Объяснить процессы и механизмы, движущие видообразованием.

• 7.10.C.1 Симпатрическое видообразование происходит в популяциях с географическим перекрытием. Аллопатрическое видообразование происходит в популяциях, которые географически изолированы.
• 7.10.C.2 Различные пре-зиготические и пост-зиготические механизмы могут поддерживать репродуктивную изоляцию и препятствовать потоку генов между популяциями.
• Иллюстративные примеры для 7.10.C: Гавайские Drosophila; Карибские Anolis; Яблочная муха Rhagoletis

Устойчивое понимание (БОЛЬШАЯ ИДЕЯ 4 — Взаимодействие систем): Биологические системы взаимодействуют, и эти системы, а также их взаимодействия обладают сложными свойствами.

Цель обучения 7.11.A: Объяснить, как генетическое разнообразие вида или популяции влияет на его способность противостоять давлению окружающей среды.

• 7.11.A.1 Уровень изменчивости в популяции влияет на её динамику.
  • i. Способность популяции реагировать на изменения среды зависит от генетического разнообразия. Виды и популяции с низким генетическим разнообразием подвержены риску сокращения численности или вымирания.
  • ii. Генетически разнообразные популяции более устойчивы к внешним воздействиям, так как в них выше вероятность наличия особей, способных переносить стрессовые условия.
  • iii. Аллели, являющиеся адаптивными в одних условиях окружающей среды, могут быть вредными в других из-за различных селекционных давлений.
  • Иллюстративные примеры для 7.11.A.1: Калифорнийский кондор; хорьки черномордые; прерийные цыплята; фитофтороз картофеля; ржавчина кукурузы; генетическое разнообразие и селекционные давления; устойчивость бактерий к антибиотикам (не все особи в разнообразной популяции восприимчивы к вспышке заболевания)

Устойчивое понимание (БОЛЬШАЯ ИДЕЯ 4 — Взаимодействие систем): Биологические системы взаимодействуют, и эти системы, а также их взаимодействия обладают сложными свойствами.

Цель обучения 7.12.A: Описать научные доказательства, подтверждающие модели происхождения жизни на Земле.

• 7.12.A.1 Происхождение жизни на Земле подтверждается научными данными.
  • i. Геологические данные подтверждают модели происхождения жизни на Земле.
  • ii. Земля образовалась примерно 4,6 миллиарда лет назад (млн л. н.). Среда была слишком непригодной для жизни до ~3,9 млн л. н., а самые ранние ископаемые свидетельства жизни относятся к 3,5 млн л. н. Совокупность этих данных дает обоснованный диапазон дат для возникновения жизни.
• 7.12.A.2 Гипотеза «РНК-мира» предполагает, что РНК могла быть earliest генетическим материалом. Существуют три предпосылки:
  • i. В какой-то момент времени генетическая непрерывность обеспечивалась репликацией РНК.
  • ii. Комбинирование оснований необходимо для репликации.
  • iii. Генетически кодируемые белки не участвовали в качестве катализаторов.

Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 8.1.A: Объяснить, как поведенческая и физиологическая реакция организма связана с изменениями во внутренней или внешней среде.

• 8.1.A.1 Организмы реагируют на изменения окружающей среды посредством поведенческих и физиологических механизмов.
  • Уточнение об исключении: Знание конкретных поведенческих или физиологических механизмов выходит за рамки экзамена AP.
  • Иллюстративные примеры для 8.1.A.1:
    • Фотопериодизм и фототропизм у растений
    • Таксис и кинезис у животных
    • Ночная и дневная активность
• 8.1.A.2 Организмы обмениваются информацией друг с другом в ответ на внутренние изменения и внешние стимулы, что может изменять поведение.
  • Иллюстративные примеры для 8.1.A.2:
    • Реакция «бой или бегство»
    • Предупреждения хищников
    • Реакция растений на поедание травоядными

Большая идея 3 — Хранение и передача информации: Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизнедеятельности.

Цель обучения 8.1.B: Объяснить, как поведенческие реакции организмов влияют на их общую приспособленность и могут способствовать успеху популяции.

• 8.1.B.1 Организмы общаются с помощью различных механизмов (визуальных, акустических, тактильных, электрических и/или химических сигналов).
  • i. У организмов существует множество сигнального поведения, которое вызывает изменения в поведении других организмов и может привести к дифференцированной репродуктивной успешности.
  • ii. Животные используют сигналы для указания на доминирование, поиска пищи, установления территории и обеспечения репродуктивного успеха.
  • Уточнение об исключении: Знание конкретных механизмов коммуникации выходит за рамки экзамена AP.
  • Иллюстративные примеры для 8.1.B.1:
    • Разметка территории млекопитающими
    • Окраска цветковых растений и животных
    • Птичьи песни
    • Стадное поведение у животных
    • Предупреждающие сигналы при охоте
• 8.1.B.2 Реакции на информацию и передача информации имеют решающее значение для естественного отбора и эволюции.
  • i. Природный отбор способствует врожденному и приобретенному поведению, повышающему выживаемость и репродуктивный успех.
  • ii. Совместное поведение, как правило, повышает приспособленность особи и выживаемость популяции.
  • Исключающее утверждение: Детали различных систем коммуникации и социального поведения выходят за рамки экзамена AP.
  • Иллюстративные примеры для 8.1.B.2.i:
    • Взаимодействие между родителями и потомством
    • Дворцовое и спаривательное поведение
    • Добывание пищи пчелами и другими животными
  • Иллюстративные примеры для 8.1.B.2.ii:
    • Стадное поведение у животных
    • Стаяное, стадное и косячное поведение у животных
    • Предупреждения хищников
    • Колониальное и роевое поведение у насекомых
    • Инклюзивная адаптивность (выбор родственных)

Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 8.2.A: Описать стратегии, которые организмы используют для получения и использования энергии.

• 8.2.A.1 Организмы используют энергию для организации, роста, размножения и поддержания гомеостаза.
  • i. Организмы используют различные стратегии для регуляции температуры тела и метаболизма. Эндотермы используют тепловую энергию, вырабатываемую метаболизмом, для поддержания гомеостатической температуры тела. Экзотермы не имеют эффективных внутренних механизмов для поддержания температуры тела, хотя они могут регулировать ее поведенчески, перемещаясь в солнечные или теневые участки, или объединяясь с другими особями.
  • ii. Чистый приток энергии приводит к накоплению энергии, росту организма и увеличению репродуктивного выхода.
  • iii. Чистый отток энергии приводит к потере массы, снижению репродуктивного выхода и, в конечном итоге, к гибели организма.
• 8.2.A.2 Различные организмы используют разнообразные репродуктивные стратегии в ответ на доступность энергии. Некоторые организмы чередуют бесполое и половое размножение в зависимости от доступности энергии.
  • Иллюстративные примеры для 8.2.A:
    • Сезонное размножение у животных и растений
    • Стратегия жизненного цикла (двухлетние растения, репродуктивная диапауза)

Цель обучения 8.2.B: Объяснить, как энергия протекает через трофические уровни, а вещества циркулируют.

• 8.2.B.1 Экологические уровни организации включают популяции, сообщества, экосистемы и биома.
• 8.2.B.2 Энергия протекает через экосистемы, тогда как материя и питательные вещества циркулируют между средой обитания и организмами посредством биогеохимических циклов. Эти циклы необходимы для жизни, и каждый цикл демонстрирует закон сохранения материи. Циклы взаимозависимы.
• 8.2.B.3 Биогеохимические циклы включают абиотические и биотические резервуары, а также процессы, обеспечивающие циркуляцию материи между резервуарами.
• 8.2.B.4 Гидрологический (водный) цикл включает движение и хранение воды в гидросфере. Резервуары включают океаны, поверхностные воды, атмосферу и живые организмы. Процессы включают испарение, конденсацию, осадки и транспирацию.
• 8.2.B.5 Углеродный цикл включает рециркуляцию атомов углерода через биосферу Земли в составе организмов в виде углеводов и обратно в атмосферу в виде углекислого газа $\left(\mathrm{CO_2}\right)$. На высших уровнях организации углеродный цикл можно упростить до четырех частей: фотосинтез, клеточное дыхание, разложение и горение.
• 8.2.B.6 Азотный цикл включает несколько этапов, включая фиксацию азота, ассимиляцию, аммонификацию, нитрификацию и денитрификацию. Эти этапы выполняются микроорганизмами в почве. Наибольшим резервуаром азота является атмосфера. При фиксации азота газообразный азот $\left(\mathrm{N_2}\right)$ фиксируется в виде аммиака $\left(\mathrm{NH_3}\right)$, который ионизируется до аммония $\left(\mathrm{NH_4^+}\right)$ путем присоединения ионов водорода из почвенного раствора.
• 8.2.B.7 Фосфорный цикл включает выветривание пород, выделяющее фосфаты $\left(\mathrm{PO_4^{3-}}\right)$ в почву и грунтовые воды. Продуценты поглощают фосфаты, которые включаются в состав биологических молекул; консументы поедают продуцентов, перенося фосфор к животным. Фосфор возвращается в почву в результате разложения биомассы или выделения продуктов обмена. Фосфаты также могут возвращаться в среду в результате разложения разлагающейся органической материи.

Цель обучения 8.2.C: Объяснить, как изменения в доступности энергии влияют на популяции, сообщества и экосистемы.

• 8.2.C.1 Изменения в доступности энергии могут привести к изменению размера популяции.
• 8.2.C.2 Изменения в доступности энергии могут привести к нарушениям в экосистеме.
  • i. Изменение энергетических ресурсов, таких как солнечный свет, может повлиять на количество и размер трофических уровней. Трофические уровни включают продуцентов; первичных, вторичных, третичных и четвертичных консументов; и редуцентов.
  • ii. Изменение биомассы или количества продуцентов в данной географической области может повлиять на количество и размер других трофических уровней.

Цель обучения 8.2.D: Объяснить, как деятельность автотрофов и гетеротрофов обеспечивает поток энергии внутри экосистемы.

• 8.2.D.1 Автотрофы улавливают энергию из физических или химических источников окружающей среды.
  • i. Фотосинтетические организмы улавливают энергию, присутствующую в солнечном свете, способствуя первичной продуктивности.
  • ii. Хемосинтетические организмы улавливают энергию от малых неорганических молекул, присутствующих в их среде, что может происходить в отсутствие кислорода.
• 8.2.D.2 Гетеротрофы, включающие хищников, травоядных, всеядных, редуцентов и падальщиков, метаболизируют углеводы, липиды и белки как источники энергии. Гетеротрофы захватывают энергию, присутствующую в углеродных соединениях, потребляя органическое вещество, полученное от автотрофов, и интегрируя материю в свои ткани.

Большая идея 3 — Хранение и передача информации: Живые системы хранят, извлекают, передают и реагируют на информацию, необходимую для жизнедеятельности.

Цель обучения 8.3.A: Описать факторы, влияющие на динамику роста популяций.

• 8.3.A.1 Популяции состоят из отдельных организмов одного вида, которые взаимодействуют друг с другом и со средой обитания сложным образом.
• 8.3.A.2 Многие адаптации у организмов связаны с получением и использованием энергии и веществ в определенной среде обитания.
  • i. Динамика роста популяции зависит от рождаемости, смертности и численности популяции.
    • Уравнение: Рост популяции — $\dfrac{dN}{dt} = B - D$ где $dt$ = изменение времени; $B$ = рождаемость; $D$ = смертность; $N$ = численность популяции; $dN$ = изменение численности популяции
  • ii. Размножение без ограничений приводит к экспоненциальному росту популяции.
    • Уравнение: Экспоненциальный рост — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N$ где $dt$ = изменение времени; $N$ = численность популяции; $dN$ = изменение численности популяции; $r_{max}$ = максимальная удельная скорость роста популяции

Большая идея 4 — Взаимодействие систем: Биологические системы взаимодействуют, и эти системы и их взаимодействия проявляют сложные свойства.

Цель обучения 8.4.A: Объяснить, как плотность популяции влияет на доступность ресурсов в окружающей среде и определяется ею.

• 8.4.A.1 Емкость среды (пропускная способность) — это устойчивая численность вида, которую могут обеспечить суммарно доступные ресурсы экосистемы.
• 8.4.A.2 По мере того, как ограничивающие факторы роста, зависящие от плотности и не зависящие от нее, начинают действовать, обычно возникает логистическая модель роста.
  • Уравнение: Логистический рост — $\dfrac{dN}{dt} = r_{max} N \left( \dfrac{K - N}{K} \right)$ где $dt$ = изменение времени; $N$ = численность популяции; $dN$ = изменение численности популяции; $r_{max}$ = максимальная удельная скорость роста популяции; $K$ = емкость среды

Большая идея 2 — Энергетика: Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 8.5.A: Описать структуру сообщества в соответствии с его видовым составом и разнообразием.

• 8.5.A.1 Структура сообщества измеряется и описывается с помощью видового состава и видового разнообразия.
  • Уравнение: Индекс разнообразия Симпсона — $\text{Diversity Index} = 1 - \sum \left( \dfrac{n}{N} \right)^2$ где $n$ = общее количество организмов определенного вида; $N$ = общее количество организмов всех видов

Цель обучения 8.5.B: Объяснить, как взаимодействия внутри и между популяциями влияют на структуру сообщества.

• 8.5.B.1 Сообщества — это группы взаимодействующих популяций различных видов, которые изменяются во времени на основе взаимодействий между этими популяциями.
• 8.5.B.2 Взаимодействия между популяциями определяют, как они получают энергию и вещества внутри сообщества.
• 8.5.B.3 Отношения между взаимодействующими популяциями могут характеризоваться положительными и отрицательными эффектами и могут быть смоделированы. Примеры включают взаимодействия «хищник/жертва», сотрудничество, трофические каскады и разделение ниш.
• 8.5.B.4 Конкуренция, хищничество и симбиоз, включая паразитизм, мутуализм и комменсализм, могут определять динамику популяций.

Большая идея 4 — Взаимодействие систем: Биологические системы взаимодействуют, и эти системы и их взаимодействия проявляют сложные свойства.

Цель обучения 8.6.A: Описать связь между разнообразием экосистем и их устойчивостью к изменениям в окружающей среде.

• 8.6.A.1 Природные и искусственные экосистемы с меньшим числом составляющих частей и малым разнообразием среди них часто менее устойчивы к изменениям в окружающей среде.
• 8.6.A.2 Ключевые виды, производители и важные абиотические и биотические факторы способствуют поддержанию разнообразия экосистемы.

Цель обучения 8.6.B: Объяснить, как добавление или удаление любого компонента экосистемы повлияет на ее общую краткосрочную и долгосрочную структуру.

• 8.6.B.1 Влияние ключевых видов на экосистему непропорционально велико по сравнению с их обилием в ней. При их удалении из экосистемы она часто приходит в упадок.

Большая идея 1 — Эволюция: Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Цель обучения 8.7.A: Объяснить взаимодействие между средой и случайными или предшествующими вариациями в популяциях.

• 8.7.A.1 Адаптация — это генетическая вариация, которая поддерживается отбором и проявляется в виде признака, обеспечивающего преимущество организму в определенной среде обитания.
• 8.7.A.2 Гетерозиготное преимущество — это состояние, при котором гетерозиготный генотип имеет более высокую относительную приспособленность, чем гомозиготный доминантный или гомозиготный рецессивный генотип.
• 8.7.A.3 Мутации не направлены конкретными факторами окружающей среды.

Большая идея 4 — Взаимодействие систем: Биологические системы взаимодействуют, и эти системы и их взаимодействия проявляют сложные свойства.

Цель обучения 8.7.B: Объяснить, как инвазивные виды влияют на динамику экосистем.

• 8.7.B.1 Случайное или преднамеренное введение инвазивного вида может позволить виду использовать новую нишу, свободную от хищников или конкурентов, или вытеснять местные виды за ресурсы.
  • Иллюстративные примеры для 8.7.B.1:
    • Кудзу
    • Зебровые мидии

Цель обучения 8.7.C: Описать деятельность человека, приводящую к изменениям в структуре и динамике экосистем.

• 8.7.C.1 Воздействие человека ускоряет изменения на локальном и глобальном уровнях. Эта деятельность может вызывать изменения в экосистемах, такие как следующие, приводящие к вымиранию:
  • i. Биомагнитификация (биоаккумуляция токсичных веществ)
  • ii. Эвтрофикация
  • Иллюстративные примеры для 8.7.C.1:
    • Болезнь голландской ивы
    • Фитофтороз картофеля

Цель обучения 8.7.D: Объяснить, как геологическая и метеорологическая активность приводит к изменениям в структуре и динамике экосистем.

• 8.7.D.1 Геологические и метеорологические события влияют на изменение мест обитания и распространение экосистем. Биогеографические исследования иллюстрируют эти изменения.
  • *Иллюстративные примеры для 8.7.D.1:
    • Глобальное изменение климата
    • Лесозаготовка
    • Урбанизация
    • Монокультура
    • ЭЛЬ-НИНЬО
    • Дрейф континентов
    • Влияние метеорита на динозавров