Ciclo de calcio - Calcium cycle
| Parte de una serie sobre |
| Ciclos biogeoquímicos |
|---|
 |
El ciclo del calcio es una transferencia de calcio entre las fases disuelta y sólida . Hay un suministro continuo de iones de calcio a las vías fluviales desde rocas , organismos y suelos . Los iones de calcio se consumen y eliminan de los ambientes acuosos a medida que reaccionan para formar estructuras insolubles como el carbonato de calcio y el silicato de calcio, que pueden depositarse para formar sedimentos o exoesqueletos de organismos. Los iones de calcio también se pueden utilizar biológicamente , ya que el calcio es esencial para funciones biológicas como la producción de huesos y dientes o la función celular. El ciclo del calcio es un hilo conductor entre los procesos terrestres, marinos, geológicos y biológicos. El calcio se mueve a través de estos diferentes medios a medida que circula por la Tierra. El ciclo del calcio marino se ve afectado por los cambios en el dióxido de carbono atmosférico debido a la acidificación de los océanos .
Meteorización por calcio e insumos al agua de mar
El calcio se almacena en depósitos geológicos, más comúnmente en forma de carbonato de calcio o silicato de calcio. Las rocas que contienen calcio incluyen calcita , dolomita , fosfato y yeso . Las rocas se disuelven lentamente mediante procesos físicos y químicos, llevando iones de calcio a los ríos y océanos. Los iones de calcio (Ca 2+ ) y los iones de magnesio (Mg 2+ ) tienen la misma carga (+2) y tamaños similares, por lo que reaccionan de manera similar y son capaces de sustituirse entre sí en algunos minerales, como los carbonatos . Los minerales que contienen Ca 2+ a menudo se degradan más fácilmente que los minerales Mg 2+ , por lo que el Ca 2+ suele estar más enriquecido en las vías fluviales que el Mg 2+ . Los ríos que contienen más Ca 2+ disuelto generalmente se consideran más alcalinos . El calcio es uno de los elementos más comunes que se encuentran en el agua de mar. Las entradas de calcio disuelto (Ca 2+ ) al océano incluyen la meteorización del sulfato de calcio , el silicato de calcio y el carbonato de calcio, la reacción basalto-agua de mar y la dolomitización .
Carbonato de calcio biogénico y la bomba biológica
El carbonato de calcio biogénico se forma cuando organismos marinos, como cocolitóforos , corales , pterópodos y otros moluscos, transforman los iones de calcio y bicarbonato en conchas y exoesqueletos de calcita o aragonito , ambas formas de carbonato de calcio. Este es el sumidero dominante de calcio disuelto en el océano. Los organismos muertos se hunden hasta el fondo del océano, depositando capas de caparazón que con el tiempo se cementan para formar piedra caliza . Este es el origen de la piedra caliza tanto marina como terrestre.
El calcio se precipita en carbonato de calcio de acuerdo con la siguiente ecuación:
Ca 2+ + 2HCO 3 - → CO 2 + H 2 O + CaCO 3
La relación entre el calcio disuelto y el carbonato de calcio se ve muy afectada por los niveles de dióxido de carbono (CO 2 ) en la atmósfera.
El aumento de dióxido de carbono conduce a más bicarbonato en el océano de acuerdo con la siguiente ecuación:
CO 2 + CO 3 2− + H 2 O → 2HCO 3 -
Con la acidificación de los océanos , las aportaciones de dióxido de carbono promueven la disolución del carbonato de calcio y dañan los organismos marinos que dependen de su capa protectora de calcita o aragonito. La solubilidad del carbonato de calcio aumenta con la presión y el dióxido de carbono y disminuye con la temperatura. Por lo tanto, el carbonato de calcio es más soluble en aguas profundas que en aguas superficiales debido a una presión más alta y una temperatura más baja. Como resultado, la precipitación de carbonato de calcio es más común en océanos menos profundos. La profundidad a la que la velocidad de disolución de la calcita es igual a la velocidad de precipitación de la calcita se conoce como profundidad de compensación de la calcita .
Cambios en el clima global y el ciclo del carbono
La acidez del océano debido al dióxido de carbono ya ha aumentado en un 25% desde la revolución industrial. A medida que las emisiones de dióxido de carbono aumentan y se acumulan continuamente, esto afectará negativamente la vida de muchos ecosistemas marinos. El carbonato de calcio utilizado para formar los exoesqueletos de muchos organismos marinos comenzará a descomponerse, dejando a estos animales vulnerables e incapaces de vivir en sus hábitats. En última instancia, esto tiene un efecto de flujo sobre los depredadores, lo que afecta aún más la función de muchas redes alimentarias a nivel mundial.
Cambios en las concentraciones de calcio a lo largo del tiempo geológico
Se han utilizado isótopos estables de calcio para estudiar las entradas y salidas de calcio disuelto en entornos marinos. Por ejemplo, un estudio encontró que los niveles de calcio han disminuido entre un 25 y un 50 por ciento durante un período de 40 millones de años, lo que sugiere que las salidas de Ca 2+ disuelto han excedido sus entradas. El isótopo Calcio-44 puede ayudar a indicar variaciones en el carbonato de calcio durante períodos de tiempo prolongados y ayudar a explicar las variantes en la temperatura global. Las disminuciones en el isótopo Calcio-44 generalmente se correlacionan con períodos de enfriamiento, ya que la disolución del carbonato de calcio generalmente significa una disminución de la temperatura. Por lo tanto, los isótopos de calcio se correlacionan con el clima de la Tierra durante largos períodos de tiempo.
Uso humano / animal de calcio
Al ser un elemento esencial, el calcio se obtiene a través de fuentes dietéticas, la mayoría de las cuales proviene de los productos lácteos. Los tres mecanismos más importantes que controlan el uso de calcio en el organismo son la absorción intestinal, la absorción renal y el recambio óseo, que está controlado predominantemente por hormonas y sus correspondientes receptores en el intestino, los riñones y los huesos, respectivamente. Esto permite el uso de calcio en todo el cuerpo, concretamente en el crecimiento óseo , la señalización celular , la coagulación de la sangre, la contracción muscular y la función neuronal .
El calcio es uno de los componentes esenciales del hueso, que contribuye a su fuerza y estructura, además de ser el sitio principal en el que se almacena dentro del cuerpo. Dentro de los músculos, su uso principal es permitir las contracciones. Las células musculares extraen calcio de la sangre, lo que le permite unirse a la troponina, un componente de la fibra muscular que indica una contracción al mover la actina y la miosina. Después de una contracción, el calcio se disipa y los filamentos vuelven a un estado de reposo antes de la liberación de más calcio para la siguiente contracción. Además, el calcio juega un papel importante al permitir que los impulsos nerviosos se transmitan entre neuronas. La liberación de iones de calcio de los canales iónicos activados por voltaje indica la liberación de neurotransmisores en la sinapsis. Esto permite la despolarización de una neurona, transmitiendo así la señal a la siguiente neurona donde este proceso se repite una vez más. Sin la presencia de iones de calcio, no se produciría la liberación de neurotransmisores, lo que evitaría el envío de señales y dificultaría los procesos corporales.
Se implementan mecanismos de retroalimentación negativa para controlar los niveles de calcio. Cuando se detectan niveles bajos de calcio en el cuerpo, la paratiroides libera hormona paratiroidea (PTH) que viaja a través del torrente sanguíneo hasta los huesos y los riñones. En los huesos, la presencia de PTH estimula los osteoclastos. Estas células descomponen los huesos para liberar calcio en el torrente sanguíneo, donde puede ser utilizado por el resto del cuerpo en los procesos anteriores. En los riñones, la PTH estimula la reabsorción de calcio para que no se pierda del cuerpo a través de la orina y vuelva al torrente sanguíneo. Por último, la PTH actúa sobre los intestinos al promover indirectamente las enzimas que activan la vitamina D, una señal para que los intestinos absorban más calcio, aumentando aún más los niveles de calcio en sangre. Esto continuará hasta que el cuerpo libere demasiado calcio en el torrente sanguíneo. El exceso de calcio promueve la liberación de calcitonina de la glándula tiroides, revirtiendo efectivamente el proceso de PTH. La actividad de los osteoclastos se detiene y los osteoblastos toman el control, utilizando el exceso de calcio en el torrente sanguíneo para formar hueso nuevo. Se evita la reabsorción de calcio en el riñón, lo que permite la excreción del exceso de calcio a través de la orina. A través de estos mecanismos hormonales, la homeostasis del calcio se mantiene dentro del cuerpo.
Calcio en plantas y suelo.
El calcio es un componente esencial del suelo. Cuando se deposita en forma de cal, no puede ser utilizado por las plantas. Para combatir esto, el dióxido de carbono producido por las plantas reacciona con el agua del medio ambiente para producir ácido carbónico. Entonces, el ácido carbónico puede disolver la piedra caliza, lo que permite la liberación de iones de calcio. Esta reacción está más disponible con partículas más pequeñas de piedra caliza que con grandes trozos de roca debido al aumento de la superficie. Cuando la cal se lixivia en el suelo, los niveles de calcio aumentan inevitablemente, lo que estabiliza el pH y permite que el calcio se mezcle con el agua para formar iones Ca 2+ , lo que lo hace soluble y accesible para que las plantas lo absorban y utilicen el sistema radicular. Los iones de calcio viajan por el xilema de la planta junto con el agua para llegar a las hojas. La planta puede utilizar este calcio en forma de pectato de calcio para estabilizar las paredes celulares y proporcionar rigidez. Las enzimas vegetales también utilizan el calcio para señalar el crecimiento y coordinar los procesos que promueven la vida. Además, la liberación de iones de calcio permite a los microorganismos acceder al fósforo y otros micronutrientes con mayor facilidad, mejorando drásticamente el ecosistema del suelo y promoviendo indirectamente el crecimiento y la nutrición de las plantas.
La muerte inevitable de plantas y animales da como resultado el retorno del calcio contenido en el organismo al suelo para ser utilizado por otras plantas. Los organismos en descomposición los descomponen, devolviendo el calcio al suelo y permitiendo que continúe el ciclo del calcio. Además, estos animales y plantas son devorados por otros animales, continuando de manera similar el ciclo. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la introducción moderna de calcio en el suelo por parte de los humanos (a través de fertilizantes y otros productos hortícolas) ha resultado en una mayor concentración de calcio contenido en el suelo.
Usos industriales del calcio y su impacto en el ciclo del calcio
El ciclo natural del calcio ha sido alterado por la intervención humana. El calcio se extrae predominantemente de depósitos de piedra caliza para ser utilizado por muchos procesos industriales. Depuración de mineral de hierro y aluminio, sustituyendo revestimiento de rotura de amianto y algunos revestimientos para cables eléctricos. Además, el calcio se utiliza en el hogar para mantener el pH alcalino de las piscinas, contrarrestar los desinfectantes ácidos y en la industria alimentaria para producir bicarbonato de sodio, algunos vinos y masas.
Con sus usos generalizados, se debe obtener un gran volumen de calcio de las minas y canteras para suplir la alta demanda. A medida que se extrae más piedra caliza y agua de las minas, las reservas subterráneas de roca a menudo se debilitan, lo que hace que el suelo sea más susceptible a hundimientos. Los sumideros y la minería afectan la presencia de agua subterránea, lo que puede conducir a un nivel freático más bajo o al alterar las vías del agua que fluye. Esto puede afectar los ecosistemas locales o las tierras agrícolas ya que el suministro de agua está restringido. Además, el agua que se libera de las áreas mineras tendrá concentraciones más altas de calcio disuelto. Esto puede ser liberado a los océanos o absorbido por el suelo. Aunque no siempre es perjudicial, altera el ciclo natural del calcio, lo que puede tener efectos sobre los ecosistemas. Además, el agua que se bombea de las minas aumenta el peligro de inundaciones aguas abajo y al mismo tiempo disminuye el volumen de agua en los embalses aguas arriba, como pantanos, estanques o humedales. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la extracción de piedra caliza es comparativamente menos dañina que otros procesos para restaurar el medio ambiente después de que la mina ya no esté en uso
La importancia del ciclo del calcio y las predicciones futuras
El ciclo del calcio une el calcio iónico y no iónico en ambientes marinos y terrestres y es esencial para el funcionamiento de todos los organismos vivos. En los animales, el calcio permite que las neuronas transmitan señales al abrir canales activados por voltaje que permiten que los neurotransmisores lleguen a la siguiente célula, la formación y el desarrollo óseos y la función renal, mientras se mantienen mediante hormonas que aseguran que se alcanza la homeostasis del calcio. En las plantas, el calcio promueve la actividad enzimática y asegura la función de la pared celular, proporcionando estabilidad a las plantas. También permite que los crustáceos formen conchas y que existan corales, ya que el calcio proporciona estructura, rigidez y resistencia a las estructuras cuando se complejan (se combinan) con otros átomos. Sin su presencia en el medio ambiente, no existirían muchos procesos que preservan la vida. En el contexto moderno, el calcio también permite que se produzcan muchos procesos industriales, lo que promueve nuevos desarrollos tecnológicos.
Con su estrecha relación con el ciclo del carbono y los efectos de los gases de efecto invernadero, se prevé que los ciclos del calcio y del carbono cambien en los próximos años. El seguimiento de los isótopos de calcio permite predecir los cambios ambientales, y muchas fuentes sugieren un aumento de las temperaturas tanto en la atmósfera como en el medio marino. Como resultado, esto alterará drásticamente la descomposición de la roca, el pH de los océanos y las vías fluviales y, por lo tanto, la sedimentación del calcio, albergando una serie de implicaciones en el ciclo del calcio.
Debido a las complejas interacciones del calcio con muchas facetas de la vida, es poco probable que se conozcan los efectos de las condiciones ambientales alteradas hasta que ocurran. Sin embargo, las predicciones pueden hacerse tentativamente, basadas en investigaciones basadas en evidencia. El aumento de los niveles de dióxido de carbono y la disminución del pH del océano alterarán la solubilidad del calcio, evitando que los corales y los organismos con caparazón desarrollen sus exoesqueletos a base de calcio, haciéndolos vulnerables o incapaces de sobrevivir.