カルシウムサイクル

カルシウム循環とは、溶解相と固体相の間でカルシウムを移動させることである。岩石、生物、土壌から水路にカルシウムイオンが継続的に供給されている。^{[1] [2]カルシウムイオンは、}炭酸カルシウムやケイ酸カルシウムなどの不溶性構造を形成するために反応し、水性環境から消費および除去され、 ^{[1] [3]}堆積して堆積物や生物の外骨格を形成することがある。 ^{[4]カルシウムは}骨や歯の生成や細胞機能などの生物学的機能に不可欠であるため、カルシウムイオンは生物学的にも利用される。 ^{[5] [6]}カルシウム循環は、陸上、海洋、地質学、および生物学的プロセスに共通する糸である。^{[7]カルシウムは、地球全体を循環しながらこれらの異なる媒体を移動する。海洋カルシウム循環は、}海洋酸性化による大気中の二酸化炭素の変化の影響を受ける。^[4]

カルシウムは地質学的貯留層に蓄えられており、炭酸カルシウムまたはケイ酸カルシウムの形で蓄えられているのが最も一般的です。[ ^1]カルシウムを含む岩石には、方解石、ドロマイト、リン酸塩、石膏などがあります。^{[8]岩石は物理的および化学的プロセスによってゆっくりと溶解し、}カルシウムイオンを川や海に運びます。カルシウムイオン（Ca ²⁺）とマグネシウムイオン（Mg ^{2+ ）は同じ電荷（+2）でサイズも似ているため、同様に反応し、}炭酸塩などの一部の鉱物では互いに置換することができます。^[9] Ca ^{2+を含む鉱物はMg 2+}鉱物よりも風化しやすいことが多いため、水路ではCa ^{2+の方がMg 2+}よりも濃縮されることが多いです。^{[8]溶解したCa 2+}が多い川は、一般的にアルカリ性が高いと考えられています。^[8] カルシウムは海水中に含まれる最も一般的な元素の1つです。海洋への溶存カルシウム（Ca ^{2+ ）の流入には、}硫酸カルシウム、ケイ酸カルシウム、炭酸カルシウムの風化、玄武岩と海水の反応、ドロマイト化などがある。^{[2] [1]}

生物起源の炭酸カルシウムは、円石藻類、サンゴ、翼足動物、その他の軟体動物などの海洋生物がカルシウムイオンと重炭酸塩を炭酸カルシウムの一種である方解石やアラゴナイトの殻や外骨格に変換することで形成されます。 ^[10]これは、海中の溶解カルシウムの主なシンクです。^{[7]死んだ生物は海の底に沈み、殻の層を堆積させ、時間が経つにつれて}石灰岩を形成します。これが海洋石灰岩と陸上石灰岩の両方の起源です。^[10]

カルシウムは、次の式に従って炭酸カルシウムに沈殿します。

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

溶解したカルシウムと炭酸カルシウムの関係は、大気中の 二酸化炭素 (CO _{2 ) のレベルに大きく影響されます。}

二酸化炭素が増加すると、次の式に従って海洋中の 重炭酸塩も増加します。

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

海洋酸性化により、二酸化炭素の流入は炭酸カルシウムの溶解を促進し、保護用の方解石やアラゴナイトの殻に依存している海洋生物に害を及ぼします。^[10]炭酸カルシウムの溶解度は、圧力と二酸化炭素の増加とともに増加し、温度の増加とともに減少します。したがって、炭酸カルシウムは、圧力が高く温度が低いため、表層水よりも深海で溶解しやすくなります。その結果、炭酸カルシウムの沈殿は浅い海でより一般的に発生します。方解石の溶解速度が方解石の沈殿速度に等しい深さは、方解石補償深度として知られています。^{[13] [14]}

二酸化炭素による海洋の酸性度は、産業革命以来すでに25%上昇しています。二酸化炭素の排出量が継続的に増加し蓄積すると、多くの海洋生態系に悪影響を及ぼします。多くの海洋生物の外骨格を形成するために使用される炭酸カルシウムが分解し始め、これらの動物は脆弱になり、生息地で生活できなくなります。これは最終的に捕食者にも波及し、世界中の多くの食物連鎖の機能にさらに影響を及ぼします。 ^[13]

カルシウムの安定同位体は、海洋環境における溶解カルシウムの入出力を研究するために使われてきました。^[15]例えば、ある研究では、カルシウム濃度が4000万年の間に25～50%減少しており、溶解Ca ^2+の入出力が入出力を上回っていることが示唆されています。^[16]同位体カルシウム44は、長期にわたる炭酸カルシウムの変動を示し、地球の気温の変動を説明するのに役立ちます。同位体カルシウム44の​​減少は通常、寒冷化の時期と相関しており、炭酸カルシウムの溶解は一般的に気温の低下を意味します。^[17]このように、カルシウム同位体は長期にわたって地球の気候と相関しています。

必須元素であるカルシウムは食物から摂取され、その大部分は乳製品から摂取されます。体内でのカルシウムの使用を制御する最も重要なメカニズムは、腸管吸収、腎臓濾過、腎臓再吸収、骨代謝であり、これらは主にホルモンと、それぞれ腸管、腎臓、骨にある対応する受容体によって制御されます。これにより、骨の成長、細胞シグナル伝達、血液凝固、筋肉収縮、ニューロン機能など、体全体でカルシウムを使用することができます。^{[18] [19]}

カルシウムは骨の必須成分の一つで、骨の強度と構造に貢献するほか、体内で主に貯蔵される場所でもあります。筋肉内では、主に収縮を可能にするために使われます。筋肉細胞は血液からカルシウムを引き出し、トロポニンと結合できるようにします。トロポニンは筋繊維の成分で、アクチンとミオシンを動かして収縮の信号を送ります。収縮後、カルシウムは消散し、フィラメントは休止状態に戻り、次の収縮のためにさらにカルシウムが放出されます。^[20]さらに、カルシウムは神経インパルスがニューロン間で伝達されるのを可能にする重要な役割を果たします。^[21]電位依存性イオンチャネルからカルシウムイオンが放出されると、シナプスへの神経伝達物質の放出が信号として送られます。これによりニューロンの脱分極が可能になり、次のニューロンに信号が伝達され、このプロセスが再び繰り返されます。カルシウムイオンがなければ、神経伝達物質の放出は起こらず、信号が送信されず、体のプロセスが妨げられます。

カルシウム濃度を制御するために、負のフィードバック機構が実装されています。体内のカルシウム濃度が低いことが検知されると、副甲状腺は副甲状腺ホルモン（PTH）を放出し、これが血流を介して骨と腎臓に移動します。骨では、PTHの存在が破骨細胞を刺激します。これらの細胞は骨を分解してカルシウムを血流に放出し、体の他の部分で上記のプロセスに使用できます^[22]。腎臓では、PTHがカルシウムの再吸収を刺激するため、カルシウムは尿を通して体から失われず、代わりに血流に戻ります。最後に、PTHは腸に作用し、ビタミンDを活性化する酵素を間接的に促進します。これは、腸がより多くのカルシウムを吸収するように信号を送り、血中カルシウム濃度をさらに上昇させます。^[23]これは、体が血流に過剰なカルシウムを放出するまで続きます。過剰なカルシウムは甲状腺からのカルシトニンの放出を促進し、PTHのプロセスを効果的に逆転させます。破骨細胞の活動は停止し、代わりに骨芽細胞が働き、血流中の過剰なカルシウムを利用して新しい骨を形成します。腎臓でのカルシウムの再吸収が妨げられ、過剰なカルシウムが尿から排出されます。^[24]これらのホルモンのメカニズムにより、体内のカルシウム恒常性が維持されます。

カルシウムは土壌の必須成分です。石灰の形で堆積すると、植物はそれを利用できません。これに対処するため、植物が生成した二酸化炭素が環境中の水と反応して炭酸を生成します。炭酸は石灰岩を溶解し、カルシウムイオンを放出します。この反応は、表面積が大きくなるため、大きな岩石よりも小さな石灰岩の粒子で起こりやすくなります。石灰が土壌に浸出すると、カルシウム濃度が必然的に上昇し、pH が安定するとともに、カルシウムが水と混ざって Ca ²⁺イオンを形成できるようになります。こうしてカルシウムは溶解性になり、植物が利用しやすくなり、根系によって吸収され、利用できるようになります。カルシウムイオンは水とともに植物の木部を移動し、葉に到達します。植物は、このカルシウムをカルシウムペクチン酸の形で利用して、細胞壁を安定させ、剛性を提供します。カルシウムは、植物酵素によって成長の合図や生命促進プロセスの調整にも使用されます。^[25]さらに、カルシウムイオンの放出により、微生物がリンやその他の微量栄養素にアクセスしやすくなり、土壌生態系が劇的に改善され、間接的に植物の成長と栄養が促進されます。^[26]

植物や動物の避けられない死は、その生物に含まれるカルシウムを土壌に戻し、他の植物に利用させる結果となる。分解生物はそれらを分解し、カルシウムを土壌に戻し、カルシウムの循環を継続させる。^[27]さらに、これらの動物や植物は他の動物に食べられ、同様に循環が継続される。しかし、現代では人間が（肥料やその他の園芸製品を通じて）土壌にカルシウムを導入したため、土壌に含まれるカルシウムの濃度が高くなっていることに留意することが重要である。

自然に発生するカルシウムの循環は、人間の介入によって変化してきました。カルシウムは主に石灰岩の鉱床から抽出され、多くの工業プロセスで利用されています。鉄鉱石やアルミニウムの精製、アスベストブレーキライニングの交換、電線のコーティングなどは、カルシウムの主な用途の一部です。さらに、カルシウムは家庭内ではプールのアルカリ性pHの維持、酸性消毒剤の無効化に使用され、食品製造業界では重曹、一部のワイン、生地の製造に使用されています。^[28]

カルシウムは用途が広く、高い需要を満たすために鉱山や採石場から大量のカルシウムを採取する必要があります。鉱山から石灰岩と水が採掘されるにつれて、地下の岩石貯蔵庫が弱くなり、地盤が陥没穴に陥りやすくなります。陥没穴と採掘はどちらも地下水の存在に影響を与え、地下水位の低下や流水の経路の変化につながる可能性があります。水の供給が制限されるため、地元の生態系や農地に影響を及ぼす可能性があります。さらに、採掘地域から放出される水には、溶解したカルシウムの濃度が高くなります。これは海洋に放出されるか、土壌に吸収されます。常に有害であるとは限りませんが、自然のカルシウム循環を変え、生態系に波及効果をもたらす可能性があります。さらに、鉱山から汲み上げられた水は下流の洪水の危険性を増大させると同時に、沼地、湿地の池などの上流の貯水池の水量を減少させる^[29]。 しかし、石灰岩の採掘は他の採掘プロセスに比べて比較的環境へのダメージが少なく、鉱山が使用されなくなった後に環境を回復する可能性があることに注意することが重要です^[30]。

カルシウム サイクルは、海洋環境と陸上環境の両方でイオン性カルシウムと非イオン性カルシウムを結び付け、すべての生物の機能に不可欠です。動物では、カルシウムは、神経伝達物質が次の細胞に到達できるようにする電位依存性チャネルを開くことによってニューロンが信号を伝達することを可能にし、骨の形成と発達、および腎臓機能に関与しています。一方、カルシウムは、カルシウム恒常性の達成を保証するホルモンによって維持されています。植物では、カルシウムは酵素の活性を促進し、細胞壁機能を保証して、植物に安定性をもたらします。また、カルシウムは他の原子と複合（結合）すると構造に構造、剛性、強度を与えるため、甲殻類が殻を形成し、サンゴが存在することも可能にします。カルシウムが環境中に存在しなければ、多くの生命維持プロセスは存在しなかったでしょう。現代では、カルシウムは多くの産業プロセスを可能にし、さらなる技術開発を促進しています。

炭素循環と温室効果ガスの影響との密接な関係から、カルシウムと炭素循環は今後数年間で変化すると予測されています。^[31]カルシウム同位体を追跡することで環境変化を予測することができ、多くの情報源が大気と海洋環境の両方で温度上昇を示唆しています。その結果、岩石の分解、海洋と水路のpH、そしてカルシウムの堆積が劇的に変化し、カルシウム循環にさまざまな影響を与えることになります。

カルシウムは生命の多くの側面と複雑に相互作用するため、環境条件の変化による影響は実際に起こるまでわからない可能性が高い。しかし、証拠に基づく研究に基づいて暫定的に予測することはできる。二酸化炭素濃度の上昇と海洋のpHの低下はカルシウムの溶解度を変化させ、サンゴや殻のある生物がカルシウムベースの外骨格を発達させないようにし、その結果、サンゴや殻のある生物は脆弱になったり生存できなくなったりする。^{[32] [33]}