Кальциевый цикл - Calcium cycle
| Часть серии по |
| Биогеохимические циклы |
|---|
 |
Цикл кальция является переносом кальция между растворенными и твердыми фазами. Ионы кальция непрерывно поступают в водные пути из горных пород , организмов и почв . Ионы кальция потребляются и удаляются из водной среды, поскольку они реагируют с образованием нерастворимых структур, таких как карбонат кальция и силикат кальция, которые могут откладываться с образованием отложений или экзоскелетов организмов. Ионы кальция также можно использовать биологически , поскольку кальций необходим для биологических функций, таких как образование костей и зубов или клеточная функция. Кальциевый цикл - это связующее звено между земными, морскими, геологическими и биологическими процессами. Кальций движется через эти различные среды, циркулируя по Земле. На морской цикл кальция влияет изменение содержания углекислого газа в атмосфере из-за подкисления океана .
Выветривание кальция и попадание в морскую воду
Кальций хранится в геологических резервуарах, чаще всего в форме карбоната кальция или силиката кальция. Кальцийсодержащие породы включают кальцит , доломит , фосфат и гипс . 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 одинаковые размеры, поэтому они реагируют одинаково и могут заменять друг друга в некоторых минералах, таких как карбонаты . Са 2+ -содержащие минералы часто легче выветриваются, чем минералы Mg 2+ , поэтому Ca 2+ часто более обогащен водными путями, чем Mg 2+ . Реки, содержащие больше растворенного Ca 2+ , обычно считаются более щелочными . Кальций - один из самых распространенных элементов, содержащихся 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 .
Биогенный карбонат кальция и биологический насос
Биогенный карбонат кальция образуется , когда морские организмы, такие как кокколитофорид , кораллы , птеропод и другими моллюски преобразования ионов кальция и бикарбоната на оболочки и экзоскелеты из кальцита или арагонита , обе формы карбоната кальция. Это основной приемник растворенного кальция в океане. Мертвые организмы опускаются на дно океана, откладывая слои раковин, которые со временем цементируются, образуя известняк . Отсюда и морской, и наземный известняк.
Кальций осаждается в карбонат кальция в соответствии со следующим уравнением:
Ca 2+ + 2HCO 3 - → CO 2 + H 2 O + CaCO 3
На соотношение растворенного кальция и карбоната кальция сильно влияет уровень углекислого газа (CO 2 ) в атмосфере.
Повышенный уровень углекислого газа приводит к увеличению содержания бикарбоната в океане согласно следующему уравнению:
CO 2 + CO 3 2- + H 2 O → 2HCO 3 -
При подкислении океана поступление углекислого газа способствует растворению карбоната кальция и наносит вред морским организмам, зависящим от их защитных панцирей кальцита или арагонита. 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, известна как глубина компенсации кальцита .
Изменения глобального климата и углеродного цикла
Кислотность океана из-за углекислого газа уже увеличилась на 25% после промышленной революции. Поскольку выбросы углекислого газа постоянно увеличиваются и накапливаются, это отрицательно 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. В конечном итоге это оказывает влияние на хищников, что еще больше влияет на функции многих пищевых сетей во всем мире.
Изменения концентрации кальция с течением геологического времени
Стабильные изотопы кальция использовались для изучения входов и выходов растворенного кальция в морской среде. Например, одно исследование показало, что уровень кальция снизился на 25-50 процентов за период в 40 миллионов лет, что свидетельствует о том, что выход растворенного Ca 2+ превышает его входы. Изотоп кальция-44 может помочь определить вариации содержания карбоната кальция в течение длительного периода времени и помочь объяснить вариации глобальной температуры. Снижение содержания изотопа кальция-44 обычно коррелирует с периодами охлаждения, поскольку растворение карбоната кальция обычно означает снижение температуры. Таким образом, изотопы кальция коррелируют с климатом Земли в течение длительных периодов времени.
Использование кальция человеком / животными
Кальций, являющийся важным элементом, поступает из пищевых источников, большая часть которых поступает из молочных продуктов. Три наиболее важных механизма, контролирующих использование кальция в организме, - это абсорбция в кишечнике, абсорбция почек и метаболизм в костях, которые контролируются преимущественно гормонами и их соответствующими рецепторами в кишечнике, почках и костях соответственно. Это позволяет использовать кальций во всем организме, а именно в росте костей , передаче клеточных сигналов , свертывании крови, сокращении мышц и функции нейронов .
Кальций - один из важнейших компонентов кости, который способствует ее прочности и структуре, а также является основным местом его хранения в организме. В мышцах его основное предназначение - обеспечение сокращений. Мышечные клетки забирают кальций из крови, позволяя ему связываться с тропонином, компонентом мышечного волокна, которое сигнализирует о сокращении, перемещая актин и миозин. После сокращения кальций рассеивается, и волокна возвращаются в состояние покоя перед высвобождением большего количества кальция для следующего сокращения. Кроме того, кальций играет важную роль в передаче нервных импульсов между нейронами. Высвобождение ионов кальция из потенциалзависимых ионных каналов сигнализирует о высвобождении нейромедиаторов в синапс. Это позволяет деполяризовать нейрон, тем самым передавая сигнал следующему нейрону, где этот процесс снова повторяется. Без присутствия ионов кальция высвобождение нейротрансмиттеров не могло бы происходить, что препятствовало бы отправке сигналов и затрудняло бы процессы в организме.
Для контроля уровня кальция реализованы механизмы отрицательной обратной связи. Когда в организме обнаруживается низкий уровень кальция, паращитовидная железа выделяет гормон паращитовидной железы (ПТГ), который с кровотоком попадает 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 в вышеуказанных процессах. В почках ПТГ стимулирует повторное всасывание кальция, поэтому он не выводится из организма с мочой, а вместо этого возвращается в кровоток. Наконец, ПТГ действует на кишечник, косвенно стимулируя ферменты, активирующие витамин D, сигнал для кишечника о необходимости усвоения большего количества кальция, что способствует дальнейшему повышению уровня кальция в крови. Это будет продолжаться до тех пор, пока организм не выпустит слишком много кальция в кровоток. Затем избыток кальция способствует высвобождению кальцитонина из щитовидной железы, эффективно обращая вспять процесс ПТГ. Активность остеокластов прекращается, и остеобласты вступают во владение, используя избыток кальция в кровотоке для образования новой кости. Реабсорбция кальция в почках предотвращается, что позволяет вывести избыток кальция с мочой. Благодаря этим гормональным механизмам в организме поддерживается гомеостаз кальция.
Кальций в растениях и почве
Кальций - важный компонент почвы. При отложении в виде извести он не может использоваться растениями. Чтобы бороться с этим, углекислый газ, производимый растениями, вступает в реакцию с водой в окружающей среде с образованием углекислоты. Углекислота растворяет известняк, высвобождая 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, уровни кальция неизбежно повышаются, 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, чтобы достичь листьев. Растение может использовать этот кальций в форме пектата кальция для стабилизации клеточных стенок и обеспечения жесткости. Кальций также используется растительными ферментами, чтобы сигнализировать о росте и координировать жизненно важные процессы. Кроме того, высвобождение ионов кальция позволяет микроорганизмам с большей легкостью получать доступ к фосфору и другим питательным микроэлементам, значительно улучшая почвенную экосистему, тем самым косвенно способствуя росту и питанию растений.
Неизбежная гибель растений и животных приводит к возвращению 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. Кроме того, эти животные и растения поедаются другими животными, аналогично продолжая цикл. Однако важно отметить, что современное внесение кальция в почву людьми (через удобрения и другие продукты садоводства) привело к более высокой концентрации кальция, содержащегося в почве.
Промышленное использование кальция и его влияние на кальциевый цикл
Естественный кальциевый цикл был изменен вмешательством человека. Кальций преимущественно добывается из известняковых отложений и используется во многих промышленных процессах. Очистка железной руды и алюминия, замена асбестовой футеровки и некоторых покрытий для электрических кабелей. Кроме того, кальций используется в домашних условиях для поддержания щелочного pH в плавательных бассейнах, противодействия кислотным дезинфицирующим средствам и в пищевой промышленности для производства бикарбонатной соды, некоторых вин и теста.
Поскольку он широко используется, большое количество кальция необходимо добывать в шахтах и карьерах, чтобы удовлетворить высокий спрос. По мере того, как из шахт удаляется все больше известняка и воды, подземные запасы породы часто ослабевают, что делает землю более восприимчивой к провалам. Воронки и добыча полезных ископаемых влияют на наличие грунтовых вод, потенциально приводя к понижению уровня грунтовых вод или изменению путей протекания воды. Это может повлиять на местные экосистемы или сельскохозяйственные угодья, поскольку подача воды ограничена. Кроме того, вода, сбрасываемая из районов добычи полезных ископаемых, будет иметь более высокую концентрацию растворенного кальция. Он может либо попадать в океаны, либо поглощаться почвой. Хотя это не всегда вредно, он изменяет естественный цикл кальция, что может иметь последствия для экосистем. Кроме того, вода, перекачиваемая из шахт, увеличивает опасность затопления ниже по течению, одновременно уменьшая объем воды в водохранилищах выше по течению, таких как болота, пруды заболоченных мест. для восстановления окружающей среды после того, как шахта больше не используется
Важность кальциевого цикла и прогнозы на будущее
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 каналы, управляемые напряжением, которые позволяют нейротрансмиттерам достигать следующей клетки, формирования и развития костей и функции почек, при этом поддерживаясь гормонами, которые обеспечивают достижение гомеостаза кальция. В растениях кальций способствует активности ферментов и обеспечивает функцию клеточной стенки, обеспечивая растениям стабильность. Он также позволяет ракообразным образовывать раковины и существовать кораллам, поскольку кальций обеспечивает структуру, жесткость и прочность структур, когда они образуют комплекс (объединяются) с другими атомами. Без его присутствия в окружающей среде многие процессы сохранения жизни не существовали бы. В современном контексте кальций также позволяет осуществлять многие промышленные процессы, способствуя дальнейшему технологическому развитию.
С учетом его тесной связи с углеродным циклом и воздействием парниковых газов, как ожидается, в ближайшие годы изменятся и кальциевые, и углеродные циклы. 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 резко изменит разложение 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 влияние измененных условий окружающей среды вряд ли будет известно до тех пор, пока оно не произойдет. Однако прогнозы могут быть сделаны в предварительном порядке, основываясь на исследованиях, основанных на фактах. Повышение уровня углекислого газа и снижение pH океана изменят растворимость кальция, не давая кораллам и организмам с панцирем развивать свои экзоскелеты на основе кальция, что сделает их уязвимыми или неспособными к выживанию.