Kalsiyum döngüsü - Calcium cycle
| Bir serinin parçası |
| biyojeokimyasal döngüler |
|---|
 |
Kalsiyum döngüsü arasında kalsiyum transferi çözülmüş ve katı fazların. Kayalardan , organizmalardan ve topraklardan su yollarına sürekli olarak kalsiyum iyonları verilir . Kalsiyum iyonları, çökeltiler veya organizmaların dış iskeletlerini oluşturmak üzere birikebilen kalsiyum karbonat ve kalsiyum silikat gibi çözünmeyen yapılar oluşturmak üzere reaksiyona girdiklerinde sulu ortamlarda tüketilir ve uzaklaştırılır . Kalsiyum iyonları biyolojik olarak da kullanılabilir , çünkü kalsiyum kemik ve diş üretimi veya hücresel fonksiyon gibi biyolojik fonksiyonlar için gereklidir . Kalsiyum döngüsü karasal, denizel, jeolojik ve biyolojik süreçler arasında ortak bir konudur. Kalsiyum, Dünya'da dolaşırken bu farklı ortamlarda hareket eder. Deniz kalsiyum döngüsü, okyanus asitlenmesine bağlı olarak değişen atmosferik karbondioksitten etkilenir .
Kalsiyum ayrışması ve deniz suyu girdileri
Kalsiyum, en yaygın olarak kalsiyum karbonat veya kalsiyum silikat şeklinde jeolojik rezervuarlarda depolanır . Kalsiyum içeren kayaçlar arasında kalsit , dolomit , fosfat ve alçıtaşı bulunur . Kayalar, fiziksel ve kimyasal süreçlerle yavaş yavaş çözülür, kalsiyum iyonlarını nehirlere ve okyanuslara taşır . Kalsiyum iyonları (Ca 2+ ) ve magnezyum iyonları (Mg 2+ ) aynı yüke (+2) ve benzer boyutlara sahiptir, bu nedenle benzer şekilde reaksiyona girerler ve karbonatlar gibi bazı minerallerde birbirlerinin yerine geçebilirler . Ca 2+ içeren mineraller genellikle Mg 2+ minerallerinden daha kolay bozunur , bu nedenle Ca 2+ su yollarında genellikle Mg 2+' dan daha zengindir . Daha fazla çözünmüş Ca2 + içeren nehirler genellikle daha alkali olarak kabul edilir . Kalsiyum deniz suyunda bulunan en yaygın elementlerden biridir. Okyanusa çözünmüş kalsiyum (Ca2 + ) girdileri arasında kalsiyum sülfat , kalsiyum silikat ve kalsiyum karbonatın ayrışması , bazalt-deniz suyu reaksiyonu ve dolomitizasyon bulunur .
Biyojenik kalsiyum karbonat ve biyolojik pompa
Gibi deniz organizmaları, zaman Biyojen kalsiyum karbonat oluşur; coccolithophores , mercan , pteropods ve diğer yumuşakçalar kalsiyum iyonları ve dönüşümü bikarbonat kovanlarına ve dış iskelete ait kalsit veya aragonit , kalsiyum karbonat, iki formu. Bu, okyanusta çözünmüş kalsiyum için baskın lavabodur. Ölü organizmalar okyanusun dibine batar ve zamanla kireçtaşı oluşturmak üzere çimento oluşturan kabuk katmanları biriktirir . Bu, hem deniz hem de karasal kireçtaşının kökenidir.
Kalsiyum, aşağıdaki denkleme göre kalsiyum karbonata çökelir:
Ca 2+ + 2HCO 3 − → CO 2 + H 2 O + CaCO 3
Çözünmüş kalsiyum ve kalsiyum karbonat arasındaki ilişki , atmosferdeki karbondioksit (CO 2 ) düzeylerinden büyük ölçüde etkilenir .
Artan karbondioksit , aşağıdaki denkleme göre okyanusta daha fazla bikarbonata yol açar :
CO 2 + CO 3 2− + H 2 O → 2HCO 3 −
İle okyanus asitleştirme , girişleri karbondioksit koruyucu kalsit veya bağımlı kalsiyum karbonat ve zarar deniz organizmalarının çözülmesini teşvik aragonit shells.The çözünürlüğü basınç ve karbon dioksit ile kalsiyum karbonat artar ve sıcaklık ile azalır. Kalsiyum karbonat, daha yüksek basınç ve daha düşük sıcaklık nedeniyle derin sularda yüzey sularına göre daha fazla çözünür. Sonuç olarak, sığ okyanuslarda kalsiyum karbonat çökelmesi daha yaygındır. Kalsit çözünme hızının kalsit çökelme hızına eşit olduğu derinlik , kalsit kompanzasyon derinliği olarak bilinir .
Küresel iklimdeki değişiklikler ve karbon döngüsü
Karbondioksite bağlı okyanus asitliği , sanayi devriminden bu yana zaten %25 arttı. Karbondioksit emisyonları sürekli olarak artıp biriktikçe, bu birçok deniz ekosisteminin yaşamını olumsuz etkileyecektir. Birçok deniz organizmasının dış iskeletini oluşturmak için kullanılan kalsiyum karbonat, bu hayvanları savunmasız ve habitatlarında yaşayamaz hale getirerek parçalanmaya başlayacak. Bu, nihayetinde, küresel olarak birçok besin ağının işlevini daha da etkileyen, yırtıcılar üzerinde bir etkiye sahiptir.
Jeolojik zaman içinde kalsiyum konsantrasyonlarındaki değişiklikler
Kalsiyum kararlı izotoplar , deniz ortamlarında çözünmüş kalsiyumun girdi ve çıktılarını incelemek için kullanılmıştır. Örneğin, bir çalışma, kalsiyum seviyelerinin 40 milyon yıllık bir zaman diliminde yüzde 25 ila 50 arasında düştüğünü, bu da çözünmüş Ca2 + çıktılarının girdilerini aştığını ortaya koydu . İzotop Kalsiyum-44 , uzun zaman aralıklarında kalsiyum karbonattaki değişiklikleri göstermeye ve küresel sıcaklıktaki değişkenleri açıklamaya yardımcı olabilir. Kalsiyum-44 izotopundaki düşüşler genellikle soğutma periyotları ile ilişkilidir, çünkü kalsiyum karbonatın çözünmesi tipik olarak sıcaklıkta bir düşüşe işaret eder. Bu nedenle, Kalsiyum izotopları, uzun süreler boyunca Dünya'nın iklimi ile ilişkilidir.
Kalsiyumun insan/hayvan kullanımı
Temel bir element olan kalsiyum, çoğunluğu süt ürünlerinden gelen diyet kaynaklarından elde edilir. Vücutta kalsiyum kullanımını kontrol eden en önemli üç mekanizma, ağırlıklı olarak hormonlar ve sırasıyla bağırsak, böbrek ve kemiklerdeki karşılık gelen reseptörleri tarafından kontrol edilen bağırsak emilimi, böbrek emilimi ve kemik döngüsüdür. Bu, kalsiyumun vücutta, yani kemik büyümesi, hücresel sinyalleşme , kan pıhtılaşması, kas kasılması ve nöron fonksiyonunda kullanılmasına izin verir.
Kalsiyum, vücutta depolandığı ana bölge olmasının yanı sıra, kemiğin gücüne ve yapısına katkıda bulunan, kemiğin temel bileşenlerinden biridir. Kaslar içinde birincil kullanımı kasılmaları sağlamaktır. Kas hücreleri, kandan kalsiyumu çekerek, aktin ve miyozini hareket ettirerek kasılma için sinyal veren kas lifinin bir bileşeni olan troponin ile bağlanmasına izin verir. Bir kasılmadan sonra, kalsiyum dağılır ve filamentler, bir sonraki kasılma için daha fazla kalsiyum salınmadan önce dinlenme durumuna geri döner. Ayrıca kalsiyum, sinir uyarılarının nöronlar arasında iletilmesine izin vermede önemli bir rol oynar. Voltaj kapılı iyon kanallarından kalsiyum iyonlarının salınması, nörotransmitterlerin sinaps içine salınması için sinyaller verir. Bu, bir nöronun depolarizasyonuna izin verir, böylece sinyali, bu işlemin bir kez daha tekrarlandığı bir sonraki nörona iletir. Kalsiyum iyonlarının varlığı olmadan, nörotransmiterlerin salınımı gerçekleşmeyecek, sinyallerin gönderilmesini ve vücut süreçlerinin engellenmesini önleyecektir.
Kalsiyum seviyelerini kontrol etmek için negatif geri besleme mekanizmaları uygulanmaktadır. Vücutta düşük kalsiyum seviyeleri tespit edildiğinde, paratiroid , kan dolaşımı yoluyla kemiklere ve böbreklere giden paratiroid hormonu (PTH) salgılar . Kemiklerde PTH varlığı osteoklastları uyarır. Bu hücreler, yukarıdaki işlemlerde vücudun geri kalanı tarafından kullanılabileceği kan dolaşımına kalsiyum salmak için kemiği parçalar. Böbreklerde PTH, kalsiyumun yeniden emilimini uyarır, böylece vücuttan idrar yoluyla kaybolmaz ve bunun yerine kan dolaşımına geri döner. Son olarak, PTH, bağırsakların daha fazla kalsiyum emmesi için bir sinyal olan D vitaminini aktive eden enzimleri dolaylı olarak teşvik ederek bağırsaklar üzerinde etki eder ve kan kalsiyum seviyelerini daha da artırır. Bu, vücut kan dolaşımına çok fazla kalsiyum salana kadar devam edecektir. Fazla kalsiyum daha sonra tiroid bezinden kalsitonin salınımını teşvik ederek PTH sürecini etkili bir şekilde tersine çevirir. Osteoklast aktivitesi durdurulur ve osteoblastlar yeni kemik oluşturmak için kan dolaşımındaki fazla kalsiyumu kullanarak yönetimi devralır. Böbrekte kalsiyum geri emilimi engellenerek fazla kalsiyumun idrar yoluyla atılmasına izin verilir. Bu hormonal mekanizmalar sayesinde, vücutta kalsiyum homeostazı korunur.
Bitkilerde ve toprakta kalsiyum
Kalsiyum, toprağın önemli bir bileşenidir. Kireç şeklinde biriktirildiğinde bitkiler tarafından kullanılamaz. Bununla mücadele etmek için bitkiler tarafından üretilen karbondioksit, ortamdaki su ile reaksiyona girerek karbonik asit üretir. Karbonik asit daha sonra kireçtaşını çözerek kalsiyum iyonlarının salınmasını sağlar. Bu reaksiyon, artan yüzey alanı nedeniyle büyük kaya parçalarına göre daha küçük kireçtaşı parçacıkları ile daha kolay elde edilebilir. Kireç toprağa süzüldüğünde, kalsiyum seviyeleri kaçınılmaz olarak artar, hem pH'ı stabilize eder hem de kalsiyumun su ile karışarak Ca2 + iyonlarını oluşturmasını sağlar, böylece onu çözünür ve kök sistemi tarafından absorbe edilmesi ve kullanılması için bitkiler tarafından erişilebilir hale getirir. Kalsiyum iyonları, yapraklara ulaşmak için suyun yanında bitkinin ksileminde yukarı doğru hareket eder. Bitki, hücre duvarlarını stabilize etmek ve sertlik sağlamak için bu kalsiyumu kalsiyum pektat formunda kullanabilir. Kalsiyum ayrıca bitki enzimleri tarafından büyüme sinyali vermek ve yaşamı destekleyen süreçleri koordine etmek için kullanılır. Ek olarak, kalsiyum iyonlarının salınması, mikroorganizmaların fosfor ve diğer mikro besinlere daha kolay erişmesini sağlayarak toprak ekosistemini büyük ölçüde iyileştirir, böylece dolaylı olarak bitki büyümesini ve beslenmesini destekler.
Kaçınılmaz bitki ve hayvan ölümü, organizmada bulunan kalsiyumun diğer bitkiler tarafından kullanılmak üzere toprağa geri dönmesiyle sonuçlanır. Ayrışan organizmalar onları parçalar, kalsiyumu toprağa geri döndürür ve kalsiyum döngüsünün devam etmesini sağlar. Ayrıca bu hayvanlar ve bitkiler diğer hayvanlar tarafından yenir ve benzer şekilde döngü devam eder. Bununla birlikte, insanlar tarafından (gübreler ve diğer bahçe ürünleri yoluyla) toprağa modern kalsiyum girişinin, toprakta bulunan daha yüksek bir kalsiyum konsantrasyonuna yol açtığına dikkat etmek önemlidir.
Kalsiyumun endüstriyel kullanımları ve kalsiyum döngüsüne etkisi
Doğal olarak oluşan kalsiyum döngüsü, insan müdahalesi ile değiştirilmiştir. Kalsiyum ağırlıklı olarak birçok endüstriyel işlemde kullanılmak üzere kireçtaşı yataklarından çıkarılır. Demir cevheri ve alüminyumun saflaştırılması, asbest kırma astarının ve elektrik kabloları için bazı kaplamaların değiştirilmesi. Ayrıca, kalsiyum evde yüzme havuzlarının alkali pH'ını korumak, asidik dezenfektanlara karşı koymak ve gıda üretim endüstrisinde bikarbonat soda, bazı şaraplar ve hamur üretmek için kullanılır.
Yaygın kullanımları ile yüksek talebi karşılamak için madenlerden ve taş ocaklarından büyük miktarda kalsiyum elde edilmesi gerekmektedir. Madenlerden daha fazla kireçtaşı ve su çıkarıldığından, yeraltı kaya depoları genellikle zayıflayarak zemini çukurlara daha duyarlı hale getirir. Düdenler ve madencilik, yeraltı suyunun varlığını etkiler ve potansiyel olarak daha düşük bir su tablasına veya değişen akan su yollarına yol açar. Bu, su kaynağı kısıtlı olduğu için yerel ekosistemleri veya tarım arazilerini etkileyebilir. Ek olarak, madencilik alanlarından salınan su, daha yüksek konsantrasyonlarda çözünmüş kalsiyuma sahip olacaktır. Bu, okyanuslara salınabilir veya toprak tarafından emilebilir. Her zaman zararlı olmasa da, ekosistemler için akış etkileri olabilecek doğal kalsiyum döngüsünü değiştirir. Ayrıca, madenlerden pompalanan su, aynı anda bataklıklar, sulak alan göletleri gibi memba rezervuarlarındaki suyun hacmini azaltırken akış aşağı sel tehlikesini artırır. maden artık kullanılmadığında çevreyi eski haline getirmek
Kalsiyum döngüsünün önemi ve gelecek tahminleri
Kalsiyum döngüsü, hem deniz hem de karasal ortamlarda iyonik ve iyonik olmayan kalsiyumu birbirine bağlar ve tüm canlı organizmaların işleyişi için gereklidir. Hayvanlarda kalsiyum, nörotransmitterlerin bir sonraki hücreye, kemik oluşumuna ve gelişimine ve böbrek fonksiyonuna ulaşmasına izin veren voltaj kapılı kanalları açarak nöronların sinyalleri iletmesine olanak sağlarken, kalsiyum homeostazına ulaşılmasını sağlayan hormonlar tarafından korunur. Bitkilerde kalsiyum, enzim aktivitesini teşvik eder ve hücre duvarı fonksiyonunu sağlayarak bitkilere stabilite sağlar. Kalsiyum, diğer atomlarla komplekslendiğinde (birleştiğinde) yapılara yapı, sertlik ve güç sağladığından, kabukluların kabuk ve mercan oluşturmasını sağlar. Çevrede varlığı olmadan, yaşamı koruyan birçok süreç var olmazdı. Modern bağlamda, kalsiyum aynı zamanda daha fazla teknolojik gelişmeyi teşvik ederek birçok endüstriyel işlemin gerçekleşmesini sağlar.
Karbon döngüsü ile yakın ilişkisi ve sera gazlarının etkileri ile hem kalsiyum hem de karbon döngülerinin önümüzdeki yıllarda değişeceği tahmin edilmektedir. Kalsiyum izotoplarının izlenmesi, hem atmosferde hem de deniz ortamında artan sıcaklıkları öneren birçok kaynakla birlikte, çevresel değişikliklerin tahmin edilmesini sağlar. Sonuç olarak, bu, kayaların parçalanmasını, okyanusların ve su yollarının pH'ını ve dolayısıyla kalsiyum sedimantasyonunu büyük ölçüde değiştirecek ve kalsiyum döngüsü üzerinde bir dizi etkiye ev sahipliği yapacaktır.
Kalsiyumun yaşamın birçok yönü ile karmaşık etkileşimleri nedeniyle, değişen çevresel koşulların etkilerinin ortaya çıkana kadar bilinmesi olası değildir. Bununla birlikte, kanıta dayalı araştırmalara dayanarak tahminler geçici olarak yapılabilir. Artan karbondioksit seviyeleri ve azalan okyanus pH'ı, kalsiyum çözünürlüğünü değiştirecek, mercanların ve kabuklu organizmaların kalsiyum bazlı dış iskeletlerini geliştirmelerini önleyerek onları savunmasız veya hayatta kalamaz hale getirecektir.