Ciclo del calcio
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El ciclo del calcio es una transferencia de calcio entre fases disueltas y sólidas . Existe un suministro continuo de iones de calcio a los cursos de agua desde rocas , organismos y suelos . [1] [2] Los iones de calcio se consumen y se eliminan de los entornos acuosos a medida que reaccionan para formar estructuras insolubles como el carbonato de calcio y el silicato de calcio, [1] [3] que pueden depositarse para formar sedimentos o los exoesqueletos de los organismos. [4] 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. [5] [6] El ciclo del calcio es un hilo conductor entre los procesos terrestres, marinos, geológicos y biológicos. [7] El calcio se mueve a través de estos diferentes medios a medida que circula por toda la Tierra. El ciclo del calcio marino se ve afectado por el cambio de dióxido de carbono atmosférico debido a la acidificación de los océanos . [4]

Meteorización del calcio y aportes al agua de mar

El calcio se almacena en depósitos geológicos, más comúnmente en forma de carbonato de calcio o silicato de calcio. [1] Las rocas que contienen calcio incluyen calcita , dolomita , fosfato y yeso . [8] Las rocas se disuelven lentamente por procesos físicos y químicos, llevando iones de calcio a 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 pueden sustituirse entre sí en algunos minerales, como los carbonatos . [9] Los minerales que contienen Ca 2+ a menudo se erosionan más fácilmente que los minerales de Mg 2+ , por lo que el Ca 2+ a menudo se enriquece más en los cursos de agua que el Mg 2+ . [8] Los ríos que contienen más Ca 2+ disuelto generalmente se consideran más alcalinos . [8] 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 erosión del sulfato de calcio , el silicato de calcio y el carbonato de calcio, la reacción basalto-agua de mar y la dolomitización . [2] [1]

Carbonato de calcio biogénico y bomba biológica

El carbonato de calcio biogénico se forma cuando los organismos marinos, como los cocolitóforos , los corales , los pterópodos y otros moluscos , transforman los iones de calcio y el bicarbonato en conchas y exoesqueletos de calcita o aragonito , ambas formas de carbonato de calcio. [10] Este es el sumidero dominante para el calcio disuelto en el océano. [7] Los organismos muertos se hunden hasta el fondo del océano, depositando capas de concha que con el tiempo se cementan para formar piedra caliza . Este es el origen de la piedra caliza tanto marina como terrestre. [10]

El calcio precipita en carbonato de calcio según la siguiente ecuación:

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

La relación entre el calcio disuelto y el carbonato de calcio se ve afectada en gran medida por los niveles de dióxido de carbono (CO 2 ) en la atmósfera.

El aumento de dióxido de carbono produce más bicarbonato en el océano según la siguiente ecuación:

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

Equilibrio del ácido carbónico en los océanos
Deposición de organismos/conchas calcificantes en el fondo del océano
El ciclo del carbonato en el medio acuático  [11] [12]
Efectos de un océano ácido (con un pH proyectado para el año 2100) en una concha de pterópodo hecha de calcita: la concha se disuelve progresivamente en el pH más bajo a medida que el calcio se extrae de la concha.

Con la acidificación de los océanos , las entradas de dióxido de carbono promueven la disolución del carbonato de calcio y dañan a los organismos marinos que dependen de sus conchas protectoras de calcita o aragonito . [10] 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 mayor presión 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 tasa de disolución de calcita es igual a la tasa de precipitación de calcita se conoce como profundidad de compensación de calcita . [13] [14]

Cambios en el clima global y el ciclo del calcio

La acidez de los océanos debido al dióxido de carbono ya ha aumentado un 25% desde la revolución industrial. A medida que las emisiones de dióxido de carbono aumenten y se acumulen 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. Esto, en última instancia, tiene un efecto dominó sobre los depredadores, lo que afecta aún más el funcionamiento de muchas redes alimentarias a nivel mundial. [13]

Cambios en las concentraciones de calcio a lo largo del tiempo geológico

Los isótopos estables de calcio se han utilizado para estudiar las entradas y salidas de calcio disuelto en ambientes marinos. [15] Por ejemplo, un estudio encontró que los niveles de calcio han disminuido entre un 25 y un 50 por ciento en un lapso de tiempo de 40 millones de años, lo que sugiere que las salidas de Ca 2+ disuelto han excedido sus entradas. [16] El isótopo calcio-44 puede ayudar a indicar variaciones en el carbonato de calcio en períodos largos de tiempo y ayudar a explicar 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. [17] Por lo tanto, los isótopos de calcio se correlacionan con el clima de la Tierra durante largos períodos de tiempo.

Uso de calcio por parte de humanos y animales

homeostasis corporal del calcio

El calcio, un elemento esencial, se obtiene a través de fuentes dietéticas, la mayoría de las cuales provienen de productos lácteos. Los tres mecanismos más importantes que controlan el uso del calcio dentro del cuerpo son la absorción intestinal, la absorción renal y el recambio óseo, que está controlado predominantemente por hormonas y sus receptores correspondientes en el intestino, los riñones y los huesos respectivamente. Esto permite el uso del calcio en todo el cuerpo, es decir, en el crecimiento óseo , la señalización celular , la coagulación sanguínea, la contracción muscular y la función neuronal . [18] [19]

El calcio es uno de los componentes esenciales de los huesos, ya que contribuye a su resistencia y estructura, además de ser el principal lugar 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. [20] Además, el calcio desempeña un papel importante al permitir que los impulsos nerviosos se transmitan entre neuronas. [21] La liberación de iones de calcio de los canales iónicos dependientes del 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, la liberación de neurotransmisores no se produciría, lo que impediría el envío de señales y dificultaría los procesos corporales.

Los mecanismos de retroalimentación negativa se implementan para controlar los niveles de calcio. Cuando se detectan niveles bajos de calcio en el cuerpo, la paratiroides libera la 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 el hueso para liberar calcio al torrente sanguíneo donde puede ser utilizado por el resto del cuerpo [22] 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 regrese al torrente sanguíneo. Por último, la PTH actúa sobre los intestinos promoviendo indirectamente las enzimas que activan la vitamina D, una señal para que los intestinos absorban más calcio, lo que aumenta aún más los niveles de calcio en la sangre. [23] Esto continuará hasta que el cuerpo libere demasiado calcio en el torrente sanguíneo. El exceso de calcio promueve entonces 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. [24] A través de estos mecanismos hormonales, se mantiene la homeostasis del calcio dentro del cuerpo.

Calcio en plantas y suelo

Movimiento del calcio desde el suelo hasta las raíces, a través del xilema hasta las hojas de una planta.

El calcio es un componente esencial del suelo. Cuando se deposita en forma de cal, las plantas no pueden utilizarlo. Para combatirlo, el dióxido de carbono producido por las plantas reacciona con el agua del entorno para producir ácido carbónico. El ácido carbónico puede disolver la piedra caliza, lo que permite la liberación de iones de calcio. Esta reacción es más fácil de obtener con partículas de piedra caliza más pequeñas que con trozos grandes de roca debido a la mayor superficie. Cuando la cal se filtra 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 lo utilicen en 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 de las plantas también utilizan el calcio para indicar el crecimiento y coordinar los procesos que promueven la vida. [25] 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 así indirectamente el crecimiento y la nutrición de las plantas. [26]

La inevitable muerte de plantas y animales hace que el calcio contenido en el organismo vuelva al suelo para que lo utilicen otras plantas. Los organismos en descomposición lo descomponen, devolviendo el calcio al suelo y permitiendo que continúe el ciclo del calcio. [27] Además, estos animales y plantas son comidos por otros animales, continuando de manera similar el ciclo. Sin embargo, es importante señalar que la introducción moderna de calcio en el suelo por parte de los seres humanos (a través de fertilizantes y otros productos hortícolas) ha dado como resultado 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 en muchos procesos industriales. La purificación de mineral de hierro y aluminio, la sustitución de los revestimientos de frenos de amianto y algunos revestimientos para cables eléctricos, son algunos de los principales usos del calcio. Además, el calcio se utiliza en el hogar para mantener el pH alcalino de las piscinas, contrarrestar los desinfectantes ácidos y en la industria de producción de alimentos para producir bicarbonato sódico, algunos vinos y masa. [28]

Vista aérea de las minas de piedra caliza en Cedar Creek

Debido a su uso generalizado, es necesario obtener un gran volumen de calcio de minas y canteras para satisfacer la gran demanda. A medida que se extrae más piedra caliza y agua de las minas, las reservas subterráneas de roca suelen debilitarse, lo que hace que el suelo sea más susceptible a los socavones. Tanto los socavones como la minería afectan la presencia de agua subterránea, lo que puede provocar un descenso del nivel freático o la alteración de las vías de circulación del agua. Esto puede afectar a los ecosistemas locales o a las tierras agrícolas, ya que el suministro de agua se ve restringido. Además, el agua que se libera de las zonas mineras tendrá mayores concentraciones de calcio disuelto, que puede liberarse en los océanos o ser absorbido por el suelo. Si bien no siempre es perjudicial, altera el ciclo natural del calcio, lo que puede tener efectos secundarios para los ecosistemas. Además, el agua que se bombea desde las minas aumenta el peligro de inundaciones río abajo, al mismo tiempo que disminuye el volumen de agua en los reservorios río arriba, como pantanos, estanques o humedales [29]. Sin embargo, es importante señalar que la extracción de piedra caliza es comparativamente menos dañina que otros procesos de minería, con potencial para restaurar el medio ambiente después de que la mina ya no esté en uso [30].

La importancia del ciclo del calcio y predicciones futuras

El ciclo del calcio une el calcio iónico y no iónico en los 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 abriendo canales controlados por voltaje que permiten que los neurotransmisores lleguen a la siguiente célula, la formación y el desarrollo de los huesos y la función renal, al mismo tiempo que se mantiene mediante hormonas que garantizan que se alcance la homeostasis del calcio. En las plantas, el calcio promueve la actividad enzimática y garantiza el funcionamiento de la pared celular, proporcionando estabilidad a las plantas. También permite que los crustáceos formen conchas y que los corales existan, ya que el calcio proporciona estructura, rigidez y resistencia a las estructuras cuando se combina con otros átomos. Sin su presencia en el medio ambiente, muchos procesos que preservan la vida no existirían. En el contexto moderno, el calcio también permite que se produzcan muchos procesos industriales, lo que promueve nuevos desarrollos tecnológicos.

Debido a su estrecha relación con el ciclo del carbono y los efectos de los gases de efecto invernadero, se prevé que tanto el ciclo del calcio como el del carbono cambien en los próximos años. [31] 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 las rocas, el pH de los océanos y las vías fluviales y, por lo tanto, la sedimentación del calcio, lo que conlleva una serie de implicaciones para 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, se pueden hacer predicciones tentativas, 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, impidiendo que los corales y los organismos con caparazón desarrollen sus exoesqueletos basados ​​en calcio, lo que los hará vulnerables o incapaces de sobrevivir. [32] [33]

Referencias

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