칼슘순환

다음에 대한 시리즈 일부
바이오게화학주기
물 순환 물 순환 심층수 순환
탄소 순환 글로벌 대기의 지상의 대양의 격리 탄소 싱크 깊은 탄소 순환 토양 탄소 근막균류 보레알 숲
영양 사이클 수소순환 질소 사이클 인간의 영향 질화화 질소와 이끼 고정. 동화 산소 사이클 인 순환 동화 유황 순환 동화
록 사이클 칼슘순환 실리카 사이클 탄산염-실산염 주기
마린 사이클 해양생물화학주기 생물펌프 미생물 루프 바이러스 분쇄 석회성 오수 규수성옥수수
메탄 사이클 대기 메탄 메탄 쇄석액 포탄 가설 북극 메탄 방출량
기타 사이클 알루미늄의 비소의 붕소 브롬의 카드뮴 염소의 크롬 구리의 불소의 금의 요오드 다리미질하다 이끌다 리튬 망간 수성. 오존층. 셀레늄 바나듐 아연을 씌우다
관련 항목 바이오 게오케미스트리 지구화학적 순환 화학 사이클링 환경 화학 생물정화 심층 생물권 해양 산성화 산성비 생물화학행성경계
연구단체 DAAC 지오트레이스 IMBER NOBM 솔라스
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칼슘 주기는 용해된 상과 고체 상 사이의 칼슘의 전달이다. 암석, 유기체, 토양으로부터 수로로 칼슘 이온이 지속적으로 공급되고 있다.^[1][2] 칼슘 이온은 탄산칼슘과 규산칼슘과 같은 불용성 구조를 형성하는 데 반응하면서 소비되고 수용성 환경에서 제거되는데,^[1][3] 이것은 퇴적물이나 유기체의 외골격을 형성하기 위해 퇴적할 수 있다.^[4] 칼슘 이온도 생물학적으로 활용할 수 있는데, 칼슘은 뼈와 치아의 생산이나 세포 기능 등 생물학적 기능에 필수적이기 때문이다.^[5][6] 칼슘 순환은 지상, 해양, 지질, 생물학적 과정 사이의 공통적인 실이다.^[7] 칼슘은 지구 전체에서 순환하면서 이러한 다른 매체를 통해 이동한다. 해양 칼슘 주기는 해양 산성화에 따른 대기 이산화탄소 변화에 영향을 받는다.^[4]

칼슘 풍화 및 해수 유입

칼슘은 지질 저장소에 저장되는데, 가장 일반적으로 탄산칼슘이나 규산칼슘의 형태로 저장된다.^[1] 칼슘이 함유된 암석에는 석회석, 돌로마이트, 인산염, 석고 등이 있다.^[8] 암석은 칼슘 이온을 강과 바다로 운반하면서 물리 및 화학 작용에 의해 서서히 용해된다. 칼슘 이온(Ca²⁺)과 마그네슘 이온(Mg²⁺)은 전하량(+2)과 크기가 같기 때문에 유사하게 반응하며 탄산염과 같은 일부 미네랄에서 서로 대체할 수 있다.^[9] Ca 함유²⁺ 광물은 Mg²⁺ 광물보다 더 쉽게 풍화되기 때문에, Ca는²⁺ Mg보다²⁺ 물에서 더 농축되는 경우가 많다.^[8] 더 많은 용해된 Ca를²⁺ 함유한 강은 일반적으로 더 알칼리성 있는 것으로 간주된다.^[8] 칼슘은 바닷물에서 발견되는 가장 흔한 원소 중 하나이다. 바다로 용해된 칼슘(Ca²⁺)의 투입물로는 황산칼슘, 규산칼슘, 탄산칼슘의 풍화작용, 현무암-세움터 반응, 돌로미트화 등이 있다.^[2][1]

탄산칼슘과 생물학적 펌프

생물 유발 칼슘 탄산염은 코콜리토포레, 산호, 익룡 등 해양 생물이 칼슘 이온과 중탄산을 석회 또는 아라곤이트의 껍질과 외골격으로 변형할 때 형성된다.^[10] 이것은 바다에서 용해된 칼슘의 지배적인 싱크대다.^[7] 죽은 유기체들은 바다 밑바닥에 가라앉고, 시간이 지남에 따라 시멘트로 굳어져 석회암을 형성하는 껍질 층을 쌓는다. 이것은 해양 석회암과 육지 석회암 둘 다의 기원이다.^[10]

칼슘은 다음 식에 따라 탄산칼슘으로 침전된다.

Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ → CO₂+ H₂O + CaCO₃^[2]

용해된 칼슘과 탄산칼슘의 관계는 대기 중의 이산화탄소(CO₂) 수준에 의해 크게 영향을 받는다.

이산화탄소의 증가는 다음 식에 따라 바다에서 중탄산염을 더 많이 발생시킨다.

CO₂ + CO₃²⁻ + H₂O → 2HCO₃^{− [10]}

해양 산성화와 함께 이산화탄소의 투입은 탄산칼슘의 용해를 촉진하고 그들의 보호 석회석이나 아라곤이트 껍질에 의존하는 해양 생물을 해친다.^[10]탄산칼슘의 용해도는 압력과 이산화탄소에 따라 증가하고 온도에 따라 감소한다. 따라서 탄산칼슘은 높은 압력과 낮은 온도로 인해 지표수보다 깊은 물에 더 잘 녹는다. 그 결과, 탄산칼슘의 강수는 얕은 바다에서 더 흔하다. 석회석 용해율이 석회석 강수량과 같은 깊이를 석회석 보상 깊이라고 한다.^[13][14]

지구 기후 변화와 탄소 순환

이산화탄소로 인한 해양 산성도는 산업혁명 이후 이미 25% 증가했다. 이산화탄소 배출량이 지속적으로 증가하고 축적됨에 따라, 이것은 많은 해양 생태계의 삶에 부정적인 영향을 미칠 것이다. 많은 해양 생물의 외골격을 형성하는 데 사용되는 탄산칼슘이 분해되기 시작할 것이며, 이로 인해 이 동물들은 취약해지고 서식지에서 살 수 없게 될 것이다. 이것은 궁극적으로 포식자들에게 영향을 미치며, 전세계적으로 많은 먹이사슬의 기능에 더 큰 영향을 미친다.^[13]

지질학적 시간에 따른 칼슘 농도 변화

칼슘 안정 동위원소는 해양 환경에서 용해된 칼슘의 입력과 출력을 연구하기 위해 사용되어 왔다.^[15] 예를 들어, 한 연구는 4천만 년의 기간 동안 칼슘 수치가 25-50% 감소했다는 것을 발견했는데, 이는 용해된 Caoutputs가²⁺ 투입량을 초과했음을 시사한다.^[16] Calcium-44 동위원소는 긴 시간대에 걸친 탄산칼슘의 변화를 나타내고 지구 온도의 변화를 설명하는 데 도움을 줄 수 있다. 칼슘-44 동위원소의 감소는 일반적으로 냉각 기간과 관련이 있는데, 탄산칼슘의 용해는 일반적으로 온도 감소를 의미하기 때문이다.^[17] 그러므로 칼슘 동위원소는 오랜 시간 동안 지구의 기후와 상관관계가 있다.

칼슘의 인간/동물 사용

칼슘은 필수 원소로서 식이 공급원을 통해 얻어지는데, 그 대부분은 유제품에서 나온다. 체내 칼슘 사용을 조절하는 가장 중요한 세 가지 메커니즘은 장내 흡수, 신장 흡수, 뼈 교체인데, 이는 주로 장, 신장, 뼈의 호르몬과 그에 상응하는 수용체에 의해 제어된다. 이것은 뼈 성장, 세포 신호 전달, 혈액 응고, 근육 수축, 뉴런 기능 등 몸 전체에 칼슘을 사용할 수 있게 해준다.^[18][19]

칼슘은 뼈의 필수적인 성분 중 하나로, 칼슘이 체내에 저장되는 주요 부위가 되는 것 외에 그 힘과 구조에 기여한다. 근육 내에서, 그것의 주된 용도는 수축이 가능하도록 하는 것이다. 근육세포는 혈액에서 칼슘을 뽑아내어 액틴과 미오신을 움직여 수축 신호를 보내는 근섬유의 성분인 트로포닌과 결합할 수 있게 한다. 수축 후 칼슘은 소멸되고 필라멘트는 다음 수축에 필요한 칼슘이 더 많이 방출되기 전에 다시 휴식 상태로 이동한다.^[20] 게다가 칼슘은 신경 자극이 뉴런 사이에 전달되도록 하는 데 중요한 역할을 한다.^[21] 전압 게이트 이온 채널에서 칼슘 이온의 방출은 신경전달물질을 시냅스로 방출하라는 신호를 보낸다. 이것은 뉴런의 탈분극화를 가능하게 하며, 따라서 이 과정이 다시 한번 반복되는 다음 뉴런으로 신호를 전달한다. 칼슘 이온이 없으면 신경전달물질의 방출이 일어나지 않아 신호가 전달되지 못하고 신체 진행을 방해한다.

부정적인 피드백 메커니즘은 칼슘 수준을 조절하기 위해 구현된다. 부갑상선염은 체내에서 낮은 칼슘 수치가 발견되면 혈류를 통해 뼈와 신장으로 이동하는 부갑상선호르몬(PTH)을 분비한다. 뼈에서 PTH의 존재는 골수들을 자극한다. 이러한 세포들은 뼈를 분해하여 칼슘을 위의 과정에서 몸의 나머지 부분에 의해 사용될 수 있는 혈류로 방출한다. 신장에서 PST는 칼슘의 재흡수를 촉진하여 소변을 통해 몸에서 손실되지 않고 대신 혈류로 되돌아간다. 마지막으로 PTH는 장에서 칼슘을 더 많이 흡수하도록 하는 신호인 비타민D를 활성화시키는 효소를 간접적으로 촉진하여 장에 작용하여 혈중 칼슘량을 더욱 증가시킨다.^[23] 이것은 신체가 너무 많은 칼슘을 혈류로 방출할 때까지 계속될 것이다. 칼슘을 과다 섭취하면 갑상선으로부터 캘시토닌의 분비를 촉진하여 PST의 과정을 효과적으로 역전시킨다. 골수성체 활동은 중지되고 골수성체(골수체)가 자리를 잡으며 혈류 속의 과다한 칼슘을 이용하여 새로운 뼈를 형성한다. 신장 내 칼슘 재흡수가 방지되어 소변을 통해 칼슘이 과다하게 배출될 수 있다.^[24] 이러한 호르몬 메커니즘을 통해 칼슘의 전이가 몸 안에서 유지된다.

식물과 토양의 칼슘

칼슘은 토양의 필수적인 성분이다. 석회 형태로 침전되면 식물이 사용할 수 없다. 이에 맞서기 위해 식물이 생산한 이산화탄소는 환경의 물과 반응하여 탄산을 생산한다. 탄소산은 석회석을 용해하여 칼슘 이온의 분출을 가능하게 한다. 이러한 반응은 표면적이 증가하여 암석 조각이 큰 것보다 작은 석회암 입자로 더 쉽게 구할 수 있다. 석회를 토양으로 침출하면 필연적으로 칼슘 수준이 높아져 pH가 안정되고 칼슘이 물과 섞일 수 있게²⁺ 되어 Ca 이온을 형성하게 되어 식물이 용해하고 접근할 수 있게 되어 뿌리계에 의해 흡수되고 활용된다. 칼슘 이온은 잎에 닿기 위해 물과 함께 식물의 xylem을 따라 이동한다. 그 식물은 세포벽을 안정시키고 경직성을 제공하기 위해 이 칼슘을 펙테이트의 형태로 이용할 수 있다. 칼슘은 또한 식물 효소에 의해 성장 신호를 보내고 생명을 촉진하는 과정을 조정하는데 사용된다.^[25] 또한 칼슘 이온의 방출을 통해 미생물이 인과 기타 미세 영양소에 보다 쉽게 접근할 수 있게 되어 토양 생태계가 획기적으로 개선되어 식물의 성장과 영양을 간접적으로 촉진하게 된다.^[26]

피할 수 없는 식물과 동물의 죽음은 유기체 내에 들어 있는 칼슘을 토양으로 되돌려 다른 식물들이 이용하게 하는 결과를 낳는다. 유기체를 분해하면 칼슘이 다시 흙으로 되돌아오고 칼슘의 순환이 계속될 수 있다.^[27] 게다가, 이러한 동식물은 다른 동물들에 의해 먹혀지고, 비슷하게 순환을 계속한다. 그러나 인간이 (비료와 다른 원예용품을 통해) 토양에 칼슘을 현대적으로 도입함으로써 토양 내에 함유된 칼슘의 농도가 높아졌다는 점에 주목하는 것이 중요하다.

산업용 칼슘 사용 및 칼슘 사이클에 미치는 영향

자연적으로 발생하는 칼슘 순환은 인간의 개입에 의해 변화되었다. 칼슘은 주로 석회암 퇴적물에서 추출되어 많은 산업 공정에 이용된다. 철광석 및 알루미늄 정화, 석면파단 라이닝 교체 및 전기 케이블용 일부 코팅. 게다가, 칼슘은 가정 내에서 수영장의 알칼리성 pH를 유지하고 산성 소독제에 대항하기 위해 그리고 식품 생산 산업에서 중탄산염 소다, 와인, 반죽을 생산하기 위해 사용된다.^[28]

그것의 광범위한 사용으로, 많은 양의 칼슘을 광산과 채석장에서 얻어야만 높은 수요를 보충할 수 있다. 더 많은 석회암과 광산에서 물이 제거되면서 암석의 지하 저장소가 약해져 지반이 싱크홀에 취약해지는 경우가 많다. 싱크홀과 채굴은 모두 지하수의 존재에 영향을 미쳐 잠재적으로 낮은 수위 또는 흐르는 물의 경로를 변화시킬 수 있다. 이는 상수도 공급이 제한됨에 따라 지역 생태계나 농경지에 영향을 미칠 수 있다. 게다가, 광산에서 방출되는 물은 더 높은 농도의 용해 칼슘을 가질 것이다. 이것은 바다로 방출되거나 흙에 흡수될 수 있다. 항상 해로운 것은 아니지만, 생태계에 플로온 효과를 줄 수 있는 자연 칼슘 순환을 변화시킨다. 게다가, 물 존재 광산에서 만들어 낸 하류 홍수 동안 동시에 물에 습지와 같이 상류 저수지들, wetlands[29]의 연못 하지만 그것은보다 석회석 채굴을 비교적 다른 채굴하는 과정보다 손해를 끼친 점에 대해서 잠재력은 envir을 회복하기 위해 중요하다에서 볼륨 감소의 위험을 크게 높인다.onm광산이 더 이상 사용되지 않는 것을 추구하다.

칼슘 사이클의 중요성과 미래 예측

칼슘 주기는 해양 환경과 육상 환경 모두에서 이온 칼슘과 비이온 칼슘을 서로 연결하며 모든 살아있는 유기체의 기능에 필수적이다. 동물에서 칼슘은 신경전달물질이 다음 세포, 뼈 형성 및 발달, 신장 기능에 도달할 수 있도록 하는 전압 게이트 채널을 개방함으로써 뉴런이 신호를 전송할 수 있게 하는 한편 칼슘 동태에 도달하도록 보장하는 호르몬에 의해 유지된다. 식물에서 칼슘은 효소 활동을 촉진하고 세포벽 기능을 보장하여 식물에 안정성을 제공한다. 칼슘은 다른 원자와 복잡(결합)할 때 구조물에 구조, 강성, 강도를 제공하기 때문에 갑각류도 껍질과 산호가 존재하도록 한다. 그것이 환경에 존재하지 않는다면, 많은 생명 유지 과정이 존재하지 않을 것이다. 현대적인 맥락에서 칼슘은 또한 많은 산업적 과정이 일어나게 하여 추가적인 기술 개발을 촉진시킨다.

탄소 순환과 온실 가스의 영향과 밀접한 관계가 있기 때문에, 칼슘과 탄소 순환은 향후 몇 년 안에 모두 바뀔 것으로 예측된다.^[31] 칼슘 동위원소를 추적하면 환경 변화를 예측할 수 있으며, 많은 공급원이 대기와 해양 환경 모두에서 온도가 상승한다는 것을 시사한다. 결과적으로, 이것은 암석의 파괴, 해양과 수로의 pH, 그리고 칼슘 침전물을 급격히 변화시켜, 칼슘 순환에 대한 일련의 함축적 의미를 부여할 것이다.

칼슘과 생명의 많은 면의 복잡한 상호작용 때문에 변화된 환경 조건의 영향은 발생하기 전까지는 알 수 없을 것 같다. 그러나 증거에 기초한 연구에 기초하여 예측은 잠정적으로 이루어질 수 있다. 이산화탄소 농도를 높이고 해양 pH를 감소시키면 칼슘 용해도를 변화시켜 산호 및 피복 생물이 칼슘 기반 외골격으로 발달하지 못하게 되어 취약하거나 생존할 수 없게 된다.^[32][33]

참조