دورة الكالسيوم

جزء من سلسلة عن
الدورات البيوكيميائية
دورة المياه دورة المياه دورة المياه العميقة
دورة الكربون عالمي جوي أرضي محيطي الحجز بالوعة الكربون دورة الكربون العميقة كربون التربة الفطريات الفطرية الغابات الشمالية
دورة التغذية دورة الهيدروجين دورة النيتروجين التأثير البشري النترتة النيتروجين والأشنة تثبيت استيعاب دورة الأكسجين دورة الفسفور استيعاب دورة الكبريت استيعاب
دورة الصخور دورة الكالسيوم دورة السيليكا دورة الكربونات والسيليكات
الدورة البحرية الدورات البيوكيميائية البحرية مضخة بيولوجية حلقة ميكروبية تحويلة فيروسية الوحل الجيري الوحل السليكي
دورة الميثان الميثان الجوي كلثرات الميثان فرضية البندقية الكلاثراتية Arctic methane emissions
Other cycles aluminum arsenic boron bromine cadmium chlorine chromium copper fluorine gold iodine iron lead lithium manganese mercury ozone–oxygen selenium vanadium zinc
Related topics Biogeochemistry geochemical cycle chemical cycling environmental chemistry Biosequestration Deep biosphere Ocean acidification acid rain Biogeochemical planetary boundaries
Research groups DAAC GEOTRACES IMBER NOBM SOLAS
Category
v t e

دورة الكالسيوم هي عملية نقل الكالسيوم بين الطور المذاب والطور الصلب . يوجد إمداد مستمر من أيونات الكالسيوم إلى المجاري المائية من الصخور والكائنات الحية والتربة . ^{[1] [2]} يتم استهلاك أيونات الكالسيوم وإزالتها من البيئات المائية أثناء تفاعلها لتكوين هياكل غير قابلة للذوبان مثل كربونات الكالسيوم وسيليكات الكالسيوم، ^{[1] [3]} والتي يمكن أن تترسب لتكوين الرواسب أو الهياكل الخارجية للكائنات الحية. ^[4] يمكن أيضًا استخدام أيونات الكالسيوم بيولوجيًا ، حيث أن الكالسيوم ضروري للوظائف البيولوجية مثل إنتاج العظام والأسنان أو الوظيفة الخلوية. [ ^{5] [6]} دورة الكالسيوم هي خيط مشترك بين العمليات الأرضية والبحرية والجيولوجية والبيولوجية. ^[7] يتحرك الكالسيوم عبر هذه الوسائط المختلفة أثناء دورانه في جميع أنحاء الأرض. تتأثر دورة الكالسيوم البحرية بتغيير ثاني أكسيد الكربون الجوي بسبب تحمض المحيطات . ^[4]

يتم تخزين الكالسيوم في الخزانات الجيولوجية، وغالبًا ما يكون على شكل كربونات الكالسيوم أو سيليكات الكالسيوم. ^[1] تشمل الصخور المحتوية على الكالسيوم الكالسيت والدولوميت والفوسفات والجص . ^[8] تذوب الصخور ببطء من خلال العمليات الفيزيائية والكيميائية، وتحمل أيونات الكالسيوم إلى الأنهار والمحيطات. أيونات الكالسيوم (Ca ²⁺ ) وأيونات المغنيسيوم (Mg ^{2+ ) لها نفس الشحنة (+2) وأحجام متشابهة،} لذلك تتفاعل بشكل مشابه ويمكنها أن تحل محل بعضها البعض في بعض المعادن، مثل الكربونات . ^[9] غالبًا ما تكون المعادن المحتوية على Ca ²⁺ أكثر تجوية من معادن Mg ²⁺ ، لذلك غالبًا ما يكون Ca ²⁺ أكثر ثراءً في المجاري المائية من Mg ²⁺ . ^[8] تعتبر الأنهار التي تحتوي على المزيد من Ca ^{2+ المذابة أكثر} قلوية بشكل عام . ^{[8] يعد} الكالسيوم أحد أكثر العناصر شيوعًا الموجودة في مياه البحر. تشمل مدخلات الكالسيوم المذاب (Ca ²⁺ ) إلى المحيط تجوية كبريتات الكالسيوم ، وسيليكات الكالسيوم، وكربونات الكالسيوم، وتفاعل البازلت مع مياه البحر، والدولوميت . ^{[2] [1]}

يتكون كربونات الكالسيوم الحيوية عندما تقوم الكائنات البحرية، مثل الكوكوليثوفور ، والشعاب المرجانية ، والجناحيات ، والرخويات الأخرى بتحويل أيونات الكالسيوم والبيكربونات إلى أصداف وهياكل خارجية من الكالسيت أو الأراجونيت ، وكلاهما من أشكال كربونات الكالسيوم. ^[10] هذا هو المصدر الرئيسي للكالسيوم المذاب في المحيط. ^[7] تغرق الكائنات الحية الميتة في قاع المحيط، وترسب طبقات من الأصداف التي تتماسك بمرور الوقت لتشكل الحجر الجيري . هذا هو أصل الحجر الجيري البحري والبري. ^[10]

يترسب الكالسيوم في كربونات الكالسيوم حسب المعادلة التالية:

Ca ²⁺ + 2HCO ₃ ⁻ → CO ₂ + H ₂ O + CaCO ₃ ^[2]

إن العلاقة بين الكالسيوم المذاب وكربونات الكالسيوم تتأثر بشكل كبير بمستويات ثاني أكسيد الكربون (CO2 ₎ في الغلاف الجوي.

تؤدي زيادة ثاني أكسيد الكربون إلى زيادة نسبة البيكربونات في المحيط وفقًا للمعادلة التالية:

CO ₂ + CO ₃ ²⁻ + H ₂ O → 2HCO ₃ ^{− [10]}

مع تحمض المحيطات ، تعمل مدخلات ثاني أكسيد الكربون على تعزيز إذابة كربونات الكالسيوم وإلحاق الضرر بالكائنات البحرية التي تعتمد على أصدافها الواقية من الكالسيت أو الأراجونيت . ^[10] تزداد قابلية ذوبان كربونات الكالسيوم مع الضغط وثاني أكسيد الكربون وتنخفض مع درجة الحرارة. وبالتالي، فإن كربونات الكالسيوم أكثر قابلية للذوبان في المياه العميقة من المياه السطحية بسبب الضغط الأعلى ودرجة الحرارة المنخفضة. ونتيجة لذلك، فإن ترسب كربونات الكالسيوم أكثر شيوعًا في المحيطات الضحلة. يُعرف العمق الذي يساوي فيه معدل إذابة الكالسيت معدل ترسب الكالسيت بعمق تعويض الكالسيت . ^{[13] [14]}

لقد زادت حموضة المحيطات بسبب ثاني أكسيد الكربون بنسبة 25% منذ الثورة الصناعية. ومع استمرار زيادة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتراكمها، فإن هذا سيؤثر سلبًا على حياة العديد من النظم البيئية البحرية. سيبدأ كربونات الكالسيوم المستخدمة في تكوين الهياكل الخارجية للعديد من الكائنات البحرية في التحلل، مما يجعل هذه الحيوانات عُرضة للخطر وغير قادرة على العيش في مواطنها. وهذا له في النهاية تأثير متدفق على الحيوانات المفترسة، مما يؤثر بشكل أكبر على وظيفة العديد من شبكات الغذاء على مستوى العالم. ^[13]

تم استخدام نظائر الكالسيوم المستقرة لدراسة مدخلات ومخرجات الكالسيوم المذاب في البيئات البحرية. ^[15] على سبيل المثال، وجدت إحدى الدراسات أن مستويات الكالسيوم انخفضت بنسبة تتراوح بين 25 و50 في المائة على مدى فترة زمنية تبلغ 40 مليون عام، مما يشير إلى أن مخرجات Ca ²⁺ المذابة تجاوزت مدخلاتها. ^[16] يمكن أن يساعد نظير الكالسيوم 44 في الإشارة إلى الاختلافات في كربونات الكالسيوم على مدى فترات زمنية طويلة والمساعدة في تفسير المتغيرات في درجة الحرارة العالمية. عادة ما يرتبط الانخفاض في نظير الكالسيوم 44 بفترات التبريد، حيث يشير إذابة كربونات الكالسيوم عادةً إلى انخفاض في درجة الحرارة. ^[17] وبالتالي، ترتبط نظائر الكالسيوم بمناخ الأرض على مدى فترات طويلة من الزمن.

نظرًا لكونه عنصرًا أساسيًا، يتم الحصول على الكالسيوم من خلال المصادر الغذائية، والتي يأتي معظمها من منتجات الألبان. الآليات الثلاث الأكثر أهمية التي تتحكم في استخدام الكالسيوم داخل الجسم هي الامتصاص المعوي والامتصاص الكلوي ودوران العظام، والتي يتم التحكم فيها بشكل أساسي بواسطة الهرمونات ومستقبلاتها المقابلة في الأمعاء والكلى والعظام على التوالي. وهذا يسمح باستخدام الكالسيوم في جميع أنحاء الجسم، وبالتحديد في نمو العظام والإشارات الخلوية وتجلط الدم وتقلص العضلات ووظيفة الخلايا العصبية . ^{[18] [19]}

الكالسيوم هو أحد المكونات الأساسية للعظام، حيث يساهم في قوتها وبنيتها بالإضافة إلى كونه الموقع الرئيسي لتخزينه داخل الجسم. داخل العضلات، استخدامه الأساسي هو تمكين الانقباضات. تسحب خلايا العضلات الكالسيوم من الدم، مما يسمح له بالارتباط بالتروبونين، وهو أحد مكونات الألياف العضلية التي تشير إلى الانقباض عن طريق تحريك الأكتين والميوسين. بعد الانقباض، يتبدد الكالسيوم وتتحرك الخيوط مرة أخرى إلى حالة الراحة قبل إطلاق المزيد من الكالسيوم للانقباض التالي. ^[20] علاوة على ذلك، يلعب الكالسيوم دورًا مهمًا في السماح بنقل النبضات العصبية بين الخلايا العصبية. ^[21] يشير إطلاق أيونات الكالسيوم من قنوات الأيونات ذات البوابات الجهدية إلى إطلاق النواقل العصبية في المشبك. يسمح هذا بإزالة استقطاب الخلية العصبية، وبالتالي نقل الإشارة إلى الخلية العصبية التالية حيث تتكرر هذه العملية مرة أخرى. بدون وجود أيونات الكالسيوم، لن يحدث إطلاق النواقل العصبية، مما يمنع إرسال الإشارات ويعيق عمليات الجسم.

يتم تنفيذ آليات التغذية الراجعة السلبية من أجل التحكم في مستويات الكالسيوم. عندما يتم اكتشاف مستويات منخفضة من الكالسيوم في الجسم، تطلق الغدة جار الدرقية هرمون الغدة جار الدرقية (PTH) الذي ينتقل عبر مجرى الدم إلى العظام والكلى. في العظام، يحفز وجود هرمون الغدة جار الدرقية الخلايا الناقضة للعظم. تقوم هذه الخلايا بتكسير العظام لإطلاق الكالسيوم في مجرى الدم حيث يمكن استخدامه من قبل بقية الجسم ^[22] في العمليات المذكورة أعلاه. في الكلى، يحفز هرمون الغدة جار الدرقية إعادة امتصاص الكالسيوم حتى لا يفقد من الجسم عن طريق البول ويعود إلى مجرى الدم بدلاً من ذلك. أخيرًا، يعمل هرمون الغدة جار الدرقية على الأمعاء عن طريق الترويج بشكل غير مباشر للإنزيمات التي تنشط فيتامين د، وهي إشارة للأمعاء لامتصاص المزيد من الكالسيوم، مما يزيد من مستويات الكالسيوم في الدم. ^[23] سيستمر هذا حتى يطلق الجسم الكثير من الكالسيوم في مجرى الدم. ثم يعزز الكالسيوم الزائد إطلاق الكالسيتونين من الغدة الدرقية، مما يعكس بشكل فعال عملية هرمون الغدة جار الدرقية. يتوقف نشاط الخلايا الناقضة للعظم وتتولى الخلايا البانية للعظم المهمة، مستغلة الكالسيوم الزائد في مجرى الدم لتكوين عظام جديدة. يتم منع إعادة امتصاص الكالسيوم في الكلى، مما يسمح بإخراج الكالسيوم الزائد من خلال البول. ^[24] ومن خلال هذه الآليات الهرمونية، يتم الحفاظ على توازن الكالسيوم داخل الجسم.

الكالسيوم عنصر أساسي في التربة. وعندما يترسب في صورة جير، لا يمكن للنباتات استخدامه. ولمكافحة هذا، يتفاعل ثاني أكسيد الكربون الذي تنتجه النباتات مع الماء في البيئة لإنتاج حمض الكربونيك. ويصبح حمض الكربونيك بعد ذلك قادراً على إذابة الحجر الجيري، مما يتيح إطلاق أيونات الكالسيوم. ويتوفر هذا التفاعل بسهولة أكبر مع جزيئات الحجر الجيري الأصغر حجماً مقارنة بقطع الصخور الكبيرة بسبب زيادة مساحة السطح. وعندما يتسرب الجير إلى التربة، ترتفع مستويات الكالسيوم حتماً، مما يعمل على تثبيت درجة الحموضة وتمكين الكالسيوم من الاختلاط بالماء لتكوين أيونات Ca2 ⁺ ، مما يجعله قابلاً للذوبان ويمكن للنباتات امتصاصه والاستفادة منه بواسطة نظام الجذر. تنتقل أيونات الكالسيوم إلى أعلى نسيج الخشب في النبات جنباً إلى جنب مع الماء للوصول إلى الأوراق. ويمكن للنبات الاستفادة من هذا الكالسيوم في صورة بكتات الكالسيوم لتثبيت جدران الخلايا وتوفير الصلابة. كما تستخدم إنزيمات النبات الكالسيوم للإشارة إلى النمو وتنسيق العمليات التي تعزز الحياة. ^[25] بالإضافة إلى ذلك، فإن إطلاق أيونات الكالسيوم يمكّن الكائنات الحية الدقيقة من الوصول إلى الفوسفور والعناصر الغذائية الدقيقة الأخرى بسهولة أكبر، مما يحسن النظام البيئي للتربة بشكل كبير وبالتالي يعزز نمو النبات وتغذيته بشكل غير مباشر. ^[26]

يؤدي موت النبات والحيوان الحتمي إلى عودة الكالسيوم الموجود داخل الكائن الحي إلى التربة لاستخدامه من قبل النباتات الأخرى. تقوم الكائنات المتحللة بتكسيرها، وإعادة الكالسيوم إلى التربة وتمكين دورة الكالسيوم من الاستمرار. ^[27] بالإضافة إلى ذلك، تأكل هذه الحيوانات والنباتات من قبل حيوانات أخرى، مما يؤدي إلى استمرار الدورة على نحو مماثل. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن الإدخال الحديث للكالسيوم في التربة من قبل البشر (من خلال الأسمدة وغيرها من المنتجات البستانية) أدى إلى تركيز أعلى من الكالسيوم الموجود داخل التربة.

لقد تغيرت دورة الكالسيوم الطبيعية نتيجة للتدخل البشري. يتم استخراج الكالسيوم بشكل أساسي من رواسب الحجر الجيري لاستخدامه في العديد من العمليات الصناعية. تعد تنقية خام الحديد والألمنيوم، واستبدال بطانات الفرامل المصنوعة من الأسبستوس وبعض الطلاءات للكابلات الكهربائية، من بين هذه الاستخدامات الرئيسية للكالسيوم. علاوة على ذلك، يتم استخدام الكالسيوم داخل المنزل للحفاظ على درجة الحموضة القلوية لحمامات السباحة، ومقاومة المطهرات الحمضية وفي صناعة إنتاج الأغذية لإنتاج صودا الخبز وبعض أنواع النبيذ والعجين. ^[28]

بسبب استخداماته الواسعة النطاق، يجب الحصول على كمية كبيرة من الكالسيوم من المناجم والمحاجر لتلبية الطلب المرتفع. ومع إزالة المزيد من الحجر الجيري والمياه من المناجم، غالبًا ما تضعف المخزونات الجوفية من الصخور مما يجعل الأرض أكثر عرضة للحفر الجوفية. تؤثر الحفر الجوفية والتعدين على وجود المياه الجوفية، مما قد يؤدي إلى انخفاض منسوب المياه أو تغيير مسارات المياه المتدفقة. قد يؤثر هذا على النظم البيئية المحلية أو الأراضي الزراعية حيث يتم تقييد إمدادات المياه. بالإضافة إلى ذلك، فإن المياه التي يتم إطلاقها من مناطق التعدين تحتوي على تركيزات أعلى من الكالسيوم المذاب. يمكن إطلاق هذا إما في المحيطات أو امتصاصه بواسطة التربة. في حين أنه ليس ضارًا دائمًا، فإنه يغير دورة الكالسيوم الطبيعية التي قد يكون لها تأثيرات تدفقية على النظم البيئية. علاوة على ذلك، فإن المياه التي يتم ضخها من المناجم تزيد من خطر حدوث فيضانات في مجرى النهر في حين تعمل في نفس الوقت على تقليل حجم المياه في الخزانات الموجودة في المنبع مثل المستنقعات وبرك الأراضي الرطبة ^[29] ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن تعدين الحجر الجيري أقل ضررًا نسبيًا من عملية التعدين الأخرى، مع إمكانية استعادة البيئة بعد توقف استخدام المنجم ^[30]

تربط دورة الكالسيوم بين الكالسيوم الأيوني وغير الأيوني في كل من البيئات البحرية والبرية وهي ضرورية لعمل جميع الكائنات الحية. في الحيوانات، يمكّن الكالسيوم الخلايا العصبية من نقل الإشارات عن طريق فتح قنوات الجهد التي تسمح للناقلات العصبية بالوصول إلى الخلية التالية، وتكوين العظام وتطورها ووظائف الكلى، في حين يتم الحفاظ عليها بواسطة الهرمونات التي تضمن الوصول إلى توازن الكالسيوم. في النباتات، يعزز الكالسيوم نشاط الإنزيمات ويضمن وظيفة جدار الخلية، مما يوفر الاستقرار للنباتات. كما أنه يمكّن القشريات من تكوين أصداف والشعاب المرجانية للوجود، حيث يوفر الكالسيوم البنية والصلابة والقوة للهياكل عندما تتحد مع ذرات أخرى. بدون وجوده في البيئة، لن توجد العديد من العمليات التي تحافظ على الحياة. في السياق الحديث، يمكّن الكالسيوم أيضًا العديد من العمليات الصناعية من الحدوث، مما يعزز المزيد من التطورات التكنولوجية.

نظرًا لارتباطها الوثيق بدورة الكربون وتأثيرات الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي، فمن المتوقع أن تتغير كل من دورتي الكالسيوم والكربون في السنوات القادمة. ^[31] يتيح تتبع نظائر الكالسيوم التنبؤ بالتغيرات البيئية، حيث تشير العديد من المصادر إلى ارتفاع درجات الحرارة في كل من الغلاف الجوي والبيئة البحرية. ونتيجة لذلك، سيؤدي هذا إلى تغيير جذري في تحلل الصخور ودرجة حموضة المحيطات والمجاري المائية وبالتالي ترسيب الكالسيوم، مما يستضيف مجموعة من الآثار المترتبة على دورة الكالسيوم.

نظرًا للتفاعلات المعقدة للكالسيوم مع العديد من جوانب الحياة، فمن غير المرجح أن تكون آثار الظروف البيئية المتغيرة معروفة حتى تحدث. ومع ذلك، يمكن إجراء التنبؤات بشكل مؤقت، استنادًا إلى الأبحاث القائمة على الأدلة. سيؤدي ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون وانخفاض درجة حموضة المحيط إلى تغيير قابلية ذوبان الكالسيوم، مما يمنع الشعاب المرجانية والكائنات الحية ذات الأصداف من تطوير هياكلها الخارجية القائمة على الكالسيوم، مما يجعلها عرضة للخطر أو غير قادرة على البقاء. ^{[32] [33]}