Цикл кальция

Изменения концентраций кальция в течение геологического времени

Стабильные изотопы кальция использовались для изучения входов и выходов растворенного кальция. в морской среде. Например, одно исследование показало, что уровень кальция снизился от 25 до 50 процентов за период в 40 миллионов лет, что свидетельствует о том, что выход растворенного Са превысил его входы. Изотоп Кальций-44 может помочь указать на изменения содержания карбоната кальция в течение длительного периода времени и помочь объяснить изменения 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.

гомеостаз кальция в организме

Являясь важным элементом, кальций получают 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 по всему телу, а именно для роста костей, передачи клеточных сигналов, свертывания крови, сокращения мышц и функции нейронов.

Кальций является одним из важнейших компонентов кости, способствует ее прочности и структуре, а также является основным местом его хранения в организме. В мышцах его основное назначение - задействовать сокращения. Мышечные клетки извлекают кальций из крови, позволяя ему связываться с тропонином, компонентом мышечного волокна, которое 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. Кроме того, кальций играет важную роль в передаче нервных импульсов между нейронами. Высвобождение ионов кальция из потенциалзависимых ионных каналов является сигналом для выпуска 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 могло бы происходить, препятствуя отправке сигналов и препятствуя процессам 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 перемещается с кровотоком к костям и почкам. 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 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, сигнал для кишечника о необходимости усваивать больше кальция, что еще больше увеличивает уровень 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 способствует выведению излишка кальция с мочой. Благодаря этим гормональным механизмам в организме поддерживается гомеостаз кальция.

перемещение кальция из почвы в корни, через ксилему к листьям растения

Кальций является важным компонентом почвы. При отложении в виде извести он не может использоваться растениями. Чтобы бороться с этим, углекислый газ, вырабатываемый растениями, вступает в реакцию с водой в окружающей среде с образованием угольной кислоты. Углекислота растворяет известняк, обеспечивая высвобождение ионов 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 повышается, 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, резко улучшая почвенную экосистему, таким образом косвенно способствуя росту и питанию растений.

Неизбежная гибель растений и животных приводит к возвращению кальция содержащиеся 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, этих животных и растения поедают другие животные, аналогично продолжая цикл. Однако важно отметить, что современное введение кальция в почву людьми (через удобрения и другие садовые продукты) привело к более высокой концентрации кальция, содержащегося в почве.

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 домашнем хозяйстве для поддержания щелочного pH в плавательных бассейнах, противодействия кислотным дезинфицирующим средствам и в пищевой промышленности для производства бикарбонатной соды, некоторых вин и теста.

Вид с воздуха на известняковые рудники в Cedar Creek

С В связи с его широким использованием, 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 более низкому уровню 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, будет иметь более высокую концентрацию растворенного кальция. Он может либо попадать в океаны, либо поглощаться почвой. Хотя это не всегда пагубно, 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 земель. Однако важно отметить, что добыча известняка является сравнительно менее разрушительной, чем другие процессы добычи, с потенциальным для восстановления окружающей среды после того, как рудник перестанет использоваться

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, обеспечивающими гомеостаз 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.

Учитывая его тесную связь с углеродным циклом и воздействием парниковых газов, в ближайшие годы прогнозируется изменение как кальциевого, так и углеродного циклов. 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 резко изменит разложение горных пород, pH океанов и водных путей и, следовательно, осаждение кальция, что повлечет за собой множество последствий для цикла кальция.

Раковина птероподов растворяется в океанах с более низким pH, когда кальций извлекается из раковины

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 в океане изменят растворимость кальция, не давая кораллам и организмам с панцирем развивать свои экзоскелеты на основе кальция, что сделает их уязвимыми или неспособными к выживанию.