Кальциевый цикл представляет собой перенос кальция между растворенной и твердой фазами. Существует непрерывный приток ионов кальция в водные пути из горных пород , организмов и почв . [1] [2] Ионы кальция потребляются и удаляются из водной среды, поскольку они реагируют, образуя нерастворимые структуры, такие как карбонат кальция и силикат кальция, [1] [3] которые могут откладываться, образуя отложения или экзоскелеты организмов . [4] Ионы кальция также могут использоваться биологически , поскольку кальций необходим для биологических функций, таких как образование костей и зубов или клеточная функция. [5] [6] Кальциевый цикл является общей нитью между наземными, морскими, геологическими и биологическими процессами. [7] Кальций перемещается через эти различные среды, совершая круговорот по всей Земле. На морской кальциевый цикл влияет изменение атмосферного углекислого газа из-за подкисления океана . [4]
Кальций хранится в геологических резервуарах, чаще всего в форме карбоната кальция или силиката кальция. [1] К кальцийсодержащим породам относятся кальцит , доломит , фосфат и гипс . [8] Породы медленно растворяются под действием физических и химических процессов, перенося ионы кальция в реки и океаны. Ионы кальция (Ca2 + ) и ионы магния (Mg2 + ) имеют одинаковый заряд (+2) и схожие размеры, поэтому они реагируют схожим образом и способны замещать друг друга в некоторых минералах, таких как карбонаты . [9] Минералы, содержащие Ca2 +, часто легче выветриваются, чем минералы Mg2 + , поэтому Ca2 + часто более обогащен в водоемах, чем Mg2 + . [8] Реки, содержащие больше растворенного Ca2 +, обычно считаются более щелочными . [8] Кальций является одним 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 кокколитофориды , кораллы , крылоногие моллюски и другие моллюски , преобразуют ионы кальция и бикарбонат в раковины и экзоскелеты кальцита или арагонита , которые являются формами карбоната кальция. [10] Это доминирующий сток для растворенного кальция в океане. [ 7] Мертвые организмы опускаются на дно океана, откладывая слои раковин, которые со временем цементируются, образуя известняк . Это источник как морского, так и наземного известняка. [10]
Кальций осаждается в карбонат кальция в соответствии со следующим уравнением:
Са 2+ + 2HCO 3 − → CO 2 + H 2 O + CaCO 3 [2]
Соотношение между растворенным кальцием и карбонатом кальция во многом зависит от уровня 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 , поступления углекислого газа способствуют растворению карбоната кальция и наносят вред морским организмам, зависящим от их защитных кальцитовых или арагонитовых оболочек. [10] Растворимость карбоната кальция увеличивается с давлением и углекислым газом 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 мелких океанах. Глубина, на которой скорость растворения кальцита равна скорости осаждения кальцита, известна как глубина компенсации кальцита . [13] [14]
Кислотность океана из-за углекислого газа уже выросла на 25% с момента 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, делая этих животных уязвимыми и неспособными жить в своей среде обитания. Это в конечном итоге оказывает потоковое воздействие на хищников, еще больше влияя на функцию многих пищевых цепей во всем мире. [13]
Стабильные изотопы кальция использовались для изучения поступления и выхода растворенного кальция в морской среде. [15] Например, одно исследование показало, что уровень кальция снизился на 25–50 процентов за 40 миллионов лет, что говорит о том, что выход растворенного Ca 2+ превысил его поступление. [16] Изотоп кальций-44 может помочь выявить изменения в карбонате кальция в течение длительных промежутков времени и объяснить изменения глобальной температуры. Снижение уровня 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 необходимым элементом, кальций поступает из пищевых источников, большинство из которых поступает из молочных продуктов. Три наиболее важных механизма, контролирующих использование кальция в организме, — это кишечная абсорбция, почечная абсорбция и костный обмен, который контролируется преимущественно гормонами и соответствующими им рецепторами в кишечнике, почках и костях соответственно. Это позволяет кальцию использоваться во всем организме, а именно в росте костей , клеточной сигнализации , свертывании крови, сокращении мышц и функционировании нейронов . [18] [19]
Кальций является одним из основных компонентов кости, внося вклад в ее прочность и структуру, а также является основным местом, где он хранится в организме. В мышцах его основное применение заключается в обеспечении сокращений. Мышечные клетки извлекают кальций из крови, позволяя ему связываться с тропонином, компонентом мышечного волокна, который подает сигнал 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 обеспечении передачи нервных импульсов между нейронами. [21] Высвобождение ионов кальция из потенциалзависимых ионных каналов сигнализирует о высвобождении нейротрансмиттеров в синапс. Это позволяет деполяризовать нейрон, тем самым передавая сигнал следующему нейрону, где этот процесс снова повторяется. Без присутствия ионов кальция высвобождение нейротрансмиттеров не произошло бы, что препятствует отправке сигналов и затрудняет процессы в организме.
Механизмы отрицательной обратной связи применяются для контроля уровня кальция. Когда в организме обнаруживается низкий уровень кальция, паращитовидная железа выделяет паратиреоидный гормон (ПТГ), который поступает через кровоток в кости и почки. В костях присутствие ПТГ стимулирует остеокласты. Эти клетки разрушают кость, чтобы высвободить кальций в кровоток, где он может быть использован остальной частью тела [22] в вышеуказанных процессах. В почках ПТГ стимулирует обратное всасывание кальция, чтобы он не терялся из организма через мочу и вместо этого возвращался в кровоток. Наконец, ПТГ действует на кишечник, косвенно стимулируя ферменты, которые активируют витамин D, сигнал для кишечника поглощать больше кальция, еще больше повышая уровень кальция в крови. [23] Это будет продолжаться до тех пор, пока организм не выделит слишком много кальция в кровоток. Избыток кальция затем способствует высвобождению кальцитонина из щитовидной железы, эффективно обращая вспять процесс ПТГ. Активность остеокластов останавливается, и остеобласты берут на себя управление, используя избыток кальция в кровотоке для формирования новой кости. Реабсорбция кальция в почках предотвращается, что позволяет выводить избыток кальция через мочу. [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, образуя угольную кислоту. Затем угольная кислота способна растворять известняк, что позволяет высвобождать ионы кальция. Эта реакция более доступна с более мелкими частицами известняка, чем с крупными 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, образуя ионы Ca2 + , тем самым делая его растворимым и доступным для растений для поглощения и использования корневой системой. Ионы кальция перемещаются вверх по ксилеме растения вместе с водой, чтобы достичь листьев. Растение может использовать этот кальций в форме пектата кальция для стабилизации клеточных стенок и обеспечения жесткости. Кальций также используется ферментами растений для подачи сигнала о росте и координации процессов, способствующих жизни. [25] Кроме того, высвобождение ионов кальция позволяет микроорганизмам легче получать доступ к фосфору и другим микроэлементам, что значительно улучшает экосистему почвы и, таким образом, косвенно способствует росту и питанию растений. [26]
Неизбежная гибель растений и животных приводит к возврату кальция, содержащегося в организме, обратно в почву для использования другими растениями. Разлагающиеся организмы расщепляют их, возвращая кальций обратно в почву и позволяя круговороту кальция продолжаться. [27] Кроме того, эти животные и растения поедаются другими животными, аналогичным образом продолжая цикл. Однако важно отметить, что современное внесение кальция в почву людьми (через удобрения и другие садовые продукты) привело к более высокой концентрации кальция, содержащегося в почве.
Естественный цикл кальция был изменен вмешательством человека. Кальций в основном извлекается из известняковых отложений для использования во многих промышленных процессах. Очистка железной руды и алюминия, замена асбестовых тормозных накладок и некоторых покрытий для электрических кабелей — вот некоторые из основных применений кальция. Кроме того, кальций используется в домашнем хозяйстве для поддержания щелочного pH в бассейнах, противодействия кислотным дезинфицирующим средствам и в пищевой промышленности для производства бикарбонатной соды, некоторых вин и теста. [28]
При его широком использовании большой объем кальция должен быть получен из шахт и карьеров, чтобы удовлетворить высокий спрос. По мере того, как все больше известняка и воды извлекается из шахт, подземные запасы породы часто ослабевают, делая землю более восприимчивой к провалам. Провалы и добыча полезных ископаемых влияют на наличие грунтовых вод, что может привести к снижению уровня грунтовых вод или изменению путей движения воды. Это может повлиять на местные экосистемы или сельскохозяйственные угодья, поскольку водоснабжение ограничено. Кроме того, вода, которая высвобождается из районов добычи, будет иметь более высокую концентрацию растворенного кальция. Он может либо выбрасываться в океаны, либо поглощаться почвой. Хотя это не всегда пагубно, это 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 горнодобывающие процессы, и имеет потенциал для восстановления окружающей среды после того, как шахта больше не будет использоваться [30].
Кальциевый цикл связывает ионный и неионный кальций вместе 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 и функции почек, при этом его поддерживают гормоны, которые обеспечивают достижение гомеостаза кальция. У растений кальций способствует активности ферментов и обеспечивает функцию клеточной стенки, обеспечивая устойчивость растений. Он также позволяет ракообразным формировать раковины 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 процессов, поддерживающих жизнь. В современном контексте кальций также позволяет происходить многим промышленным процессам, способствуя дальнейшему технологическому развитию.
Учитывая тесную связь с углеродным циклом и воздействием парниковых газов, прогнозируется, что в ближайшие годы изменятся как кальциевый, так и углеродный циклы. [31] Отслеживание изотопов кальция позволяет прогнозировать изменения окружающей среды, при этом многие источники предполагают повышение температуры как в атмосфере, так и в морской среде. В результате это радикально изменит разрушение горных пород, pH океанов и водных путей и, таким образом, осаждение кальция, что будет иметь ряд последствий для кальциевого цикла.
Из-за сложных взаимодействий кальция со многими аспектами жизни, эффекты измененных условий окружающей среды вряд ли будут известны, пока они не произойдут. Однако можно делать предварительные прогнозы на основе исследований, основанных на фактических данных. Повышение уровня углекислого газа и снижение pH океана изменят растворимость кальция, не давая кораллам и раковинным организмам развивать свои экзоскелеты на основе кальция, тем самым делая их уязвимыми или неспособными выживать. [32] [33]
Материал скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.