Цикл кальция представляет собой перенос кальция между растворенной и твердой фазами. Ионы кальция постоянно поступают в водные пути из горных пород , организмов и почвы . [1] [2] Ионы кальция потребляются и удаляются из водной среды, поскольку они реагируют с образованием нерастворимых структур, таких как карбонат кальция и силикат кальция, [1] [3] которые могут откладываться с образованием отложений или экзоскелетов организмов. [4] Ионы кальция также можно использовать биологически , поскольку кальций необходим для биологических функций, таких как производство костей и зубов или клеточных функций. [5] [6] Цикл кальция является связующим звеном между земными, морскими, геологическими и биологическими процессами. [7] Кальций перемещается через эти различные среды во время своего круговорота по Земле. На морской цикл кальция влияет изменение содержания углекислого газа в атмосфере из-за закисления океана . [4]
Кальций хранится в геологических резервуарах, чаще всего в форме карбоната кальция или силиката кальция. [1] Кальцийсодержащие породы включают кальцит , доломит , фосфат и гипс . [8] Камни медленно растворяются в результате физических и химических процессов, перенося ионы кальция в реки и океаны. Ионы кальция (Ca 2+ ) и ионы магния (Mg 2+ ) имеют одинаковый заряд (+2) и схожие размеры, поэтому реагируют одинаково и способны замещать друг друга в некоторых минералах, например в карбонатах . [9] Минералы, содержащие Ca 2+, часто легче выветриваются, чем минералы Mg 2+ , поэтому Ca 2+ часто более обогащен в водных путях, чем Mg 2+ . [8] Реки, содержащие больше растворенного Ca 2+, обычно считаются более щелочными . [8] Кальций — один из наиболее распространенных элементов, встречающихся в морской воде. Поступление растворенного кальция (Ca 2+ ) в океан включает выветривание сульфата кальция , силиката кальция и карбоната кальция, реакцию базальта с морской водой и доломитизацию . [2] [1]
Биогенный карбонат кальция образуется, когда морские организмы, такие как кокколитофоры , кораллы , птероподы и другие моллюски, преобразуют ионы кальция и бикарбонат в раковины и экзоскелеты из кальцита или арагонита , обеих форм карбоната кальция. [10] Это основной поглотитель растворенного кальция в океане. [7] Мертвые организмы опускаются на дно океана, откладывая слои панциря, которые со временем сцементируются, образуя известняк . Таково происхождение как морского, так и наземного известняка. [10]
Кальций осаждается в карбонат кальция согласно следующему уравнению:
Са 2+ + 2HCO 3 − → CO 2 + H 2 O + CaCO 3 [2]
На соотношение между растворенным кальцием и карбонатом кальция сильно влияет уровень углекислого газа (CO 2 ) в атмосфере.
Увеличение содержания углекислого газа приводит к увеличению содержания бикарбоната в океане согласно следующему уравнению:
CO 2 + CO 3 2− + H 2 O → 2HCO 3 − [10]
При закислении океана поступление углекислого газа способствует растворению карбоната кальция и наносит вред морским организмам, зависящим от их защитных кальцитовых или арагонитовых оболочек. [10] Растворимость карбоната кальция увеличивается с увеличением давления и углекислого газа и уменьшается с температурой. Таким образом, карбонат кальция более растворим в глубоких водах, чем в поверхностных водах, из-за более высокого давления и более низкой температуры. В результате осаждение карбоната кальция чаще встречается в более мелких океанах. Глубина, на которой скорость растворения кальцита равна скорости осаждения кальцита, называется глубиной компенсации кальцита . [13] [14]
Кислотность океана из-за углекислого газа уже выросла на 25% со времени промышленной революции. Поскольку выбросы углекислого газа постоянно увеличиваются и накапливаются, это негативно скажется на жизни многих морских экосистем. Карбонат кальция, используемый для формирования экзоскелетов многих морских организмов, начнет разрушаться, в результате чего эти животные станут уязвимыми и не смогут жить в своей среде обитания. В конечном итоге это оказывает влияние на хищников, что еще больше влияет на функционирование многих пищевых сетей во всем мире. [13]
Стабильные изотопы кальция использовались для изучения поступления и вывода растворенного кальция в морской среде. [15] Например, одно исследование показало, что уровень кальция снизился на 25–50 процентов за период в 40 миллионов лет, что позволяет предположить, что выход растворенного Ca 2+ превысил его вход. [16] Изотоп Кальций-44 может помочь указать на изменения содержания карбоната кальция в течение длительных периодов времени и помочь объяснить варианты глобальной температуры. Снижение содержания изотопа кальция-44 обычно коррелирует с периодами похолодания, поскольку растворение карбоната кальция обычно означает снижение температуры. [17] Таким образом, изотопы кальция коррелируют с климатом Земли в течение длительных периодов времени.
Будучи важным элементом, кальций поступает из пищевых источников, большая часть которых поступает из молочных продуктов. Тремя наиболее важными механизмами, контролирующими использование кальция в организме, являются кишечная абсорбция, почечная абсорбция и обмен костной ткани, который контролируется преимущественно гормонами и соответствующими рецепторами в кишечнике, почках и костях соответственно. Это позволяет использовать кальций во всем организме, а именно в росте костей , передаче сигналов в клетках , свертывании крови, сокращении мышц и функционировании нейронов . [18] [19]
Кальций является одним из важнейших компонентов костей, способствует их прочности и структуре, а также является основным местом его хранения в организме. В мышцах его основное назначение — обеспечение сокращений. Мышечные клетки извлекают кальций из крови, позволяя ему связываться с тропонином, компонентом мышечного волокна, который сигнализирует о сокращении, перемещая актин и миозин. После сокращения кальций рассеивается, и нити возвращаются в состояние покоя перед высвобождением большего количества кальция для следующего сокращения. [20] Кроме того, кальций играет важную роль в передаче нервных импульсов между нейронами. [21] Высвобождение ионов кальция из потенциалзависимых ионных каналов сигнализирует о высвобождении нейротрансмиттеров в синапс. Это позволяет деполяризовать нейрон и передать сигнал следующему нейрону, где этот процесс снова повторяется. Без присутствия ионов кальция не было бы высвобождения нейротрансмиттеров, что предотвращало бы отправку сигналов и тормозило процессы в организме.
Механизмы отрицательной обратной связи реализуются для контроля уровня кальция. Когда в организме обнаруживается низкий уровень кальция, паращитовидная железа высвобождает паратиреоидный гормон (ПТГ), который через кровоток попадает в кости и почки. В костях присутствие ПТГ стимулирует остеокласты. Эти клетки расщепляют кости, высвобождая кальций в кровоток, где он может быть использован остальными частями тела [22] в вышеупомянутых процессах. В почках ПТГ стимулирует реабсорбцию кальция, поэтому он не выводится из организма с мочой, а вместо этого возвращается в кровоток. Наконец, ПТГ действует на кишечник, косвенно стимулируя ферменты, которые активируют витамин D, что является сигналом для кишечника усваивать больше кальция, что еще больше повышает уровень кальция в крови. [23] Это будет продолжаться до тех пор, пока организм не выпустит слишком много кальция в кровоток. Избыток кальция затем способствует высвобождению кальцитонина из щитовидной железы, эффективно обращая вспять процесс ПТГ. Активность остеокластов прекращается, и остеобласты берут на себя управление, используя избыток кальция в кровотоке для формирования новой кости. Предотвращается реабсорбция кальция в почках, что позволяет вывести избыток кальция с мочой. [24] Благодаря этим гормональным механизмам в организме поддерживается гомеостаз кальция.
Кальций является важным компонентом почвы. При отложении в виде извести он не может быть использован растениями. Чтобы бороться с этим, углекислый газ, вырабатываемый растениями, реагирует с водой в окружающей среде с образованием углекислоты. Угольная кислота затем способна растворять известняк, позволяя высвобождать ионы кальция. Эта реакция более доступна с более мелкими частицами известняка, чем с большими кусками породы, из-за увеличенной площади поверхности. Когда известь выщелачивается в почву, уровень кальция неизбежно увеличивается, что стабилизирует pH и позволяет кальцию смешиваться с водой с образованием ионов Ca 2+ , что делает его растворимым и доступным для растений для поглощения и использования корневой системой. Ионы кальция перемещаются вверх по ксилеме растения вместе с водой и достигают листьев. Растение может использовать этот кальций в форме пектата кальция для стабилизации клеточных стенок и обеспечения жесткости. Кальций также используется растительными ферментами для передачи сигналов роста и координации процессов, способствующих жизни. [25] Кроме того, высвобождение ионов кальция позволяет микроорганизмам с большей легкостью получать доступ к фосфору и другим микроэлементам, радикально улучшая почвенную экосистему, тем самым косвенно способствуя росту и питанию растений. [26]
Неизбежная гибель растений и животных приводит к возврату содержащегося в организме кальция обратно в почву для использования другими растениями. Разлагающиеся организмы разрушают их, возвращая кальций обратно в почву и позволяя продолжить круговорот кальция. [27] Кроме того, эти животные и растения поедаются другими животными, аналогично продолжая цикл. Однако важно отметить, что современное внесение кальция в почву человеком (через удобрения и другие продукты садоводства) привело к повышению концентрации кальция, содержащегося в почве.
Естественный цикл кальция был изменен вмешательством человека. Кальций преимущественно добывается из месторождений известняка и используется во многих промышленных процессах. Очистка железной руды и алюминия, замена асбестовых тормозных накладок и некоторых покрытий электрических кабелей — вот некоторые из основных видов применения кальция. Кроме того, кальций используется в домашнем хозяйстве для поддержания щелочного pH в бассейнах, противодействия кислотным дезинфицирующим средствам, а также в пищевой промышленности для производства бикарбонатной соды, некоторых вин и теста. [28]
Учитывая его широкое использование, большие объемы кальция должны быть получены из шахт и карьеров, чтобы удовлетворить высокий спрос. По мере того, как из шахт удаляется все больше известняка и воды, подземные запасы породы часто ослабляются, что делает землю более восприимчивой к провалам. Карстовые воронки и добыча полезных ископаемых влияют на наличие грунтовых вод, что потенциально может привести к понижению уровня грунтовых вод или изменению путей течения воды. Это может повлиять на местные экосистемы или сельскохозяйственные угодья, поскольку водоснабжение ограничено. Кроме того, вода, сбрасываемая в районах добычи полезных ископаемых, будет иметь более высокую концентрацию растворенного кальция. Это может быть либо выброшено в океаны, либо поглощено почвой. Хотя это не всегда вредно, оно изменяет естественный цикл кальция, что может иметь последствия для экосистем. Кроме того, откачка воды из шахт увеличивает опасность затопления ниже по течению, одновременно уменьшая объем воды в водоемах выше по течению, таких как болота, пруды или водно-болотные угодья [29]. Однако важно отметить, что добыча известняка сравнительно менее разрушительна, чем другие процессы добычи полезных ископаемых. , с потенциалом восстановления окружающей среды после того, как шахта больше не будет использоваться [30]
Цикл кальция связывает ионный и неионный кальций как в морской, так и в наземной среде и необходим для функционирования всех живых организмов. У животных кальций позволяет нейронам передавать сигналы, открывая потенциалзависимые каналы, которые позволяют нейротрансмиттерам достигать следующей клетки, формирования и развития костей, а также функции почек, при этом поддерживается гормонами, которые обеспечивают достижение гомеостаза кальция. В растениях кальций способствует активности ферментов и обеспечивает функцию клеточной стенки, обеспечивая устойчивость растений. Он также позволяет ракообразным образовывать панцири и существовать кораллам, поскольку кальций обеспечивает структуру, жесткость и прочность структур при комплексировании (объединении) с другими атомами. Без его присутствия в окружающей среде не существовало бы многих жизнесохраняющих процессов. В современном контексте кальций также способствует осуществлению многих промышленных процессов, способствуя дальнейшему технологическому развитию.
Прогнозируется, что циклы кальция и углерода изменятся в ближайшие годы, поскольку они тесно связаны с углеродным циклом и воздействием парниковых газов. [31] Отслеживание изотопов кальция позволяет прогнозировать изменения окружающей среды, причем многие источники предполагают повышение температуры как в атмосфере, так и в морской среде. В результате это радикально изменит распад горных пород, pH океанов и водных путей и, следовательно, осаждение кальция, что повлечет за собой множество последствий для цикла кальция.
Из-за сложного взаимодействия кальция со многими аспектами жизни последствия изменения условий окружающей среды вряд ли будут известны до тех пор, пока они не произойдут. Однако прогнозы можно сделать ориентировочно, основываясь на научно обоснованных исследованиях. Повышение уровня углекислого газа и снижение pH океана изменят растворимость кальция, не позволяя кораллам и панцирным организмам развивать свои экзоскелеты на основе кальция, что делает их уязвимыми или неспособными выжить. [32] [33]
Материал был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0.