カルシウムサイクル：特徴、段階、重要性 - 化学 - 2025

カルシウムサイクルは、生物、岩石圏と水圏を包含し、この要素の地球上の循環とストレージです。これは、カルシウムがアルカリ土類軟金属として循環し、ガス状の段階を欠く堆積生物地球化学サイクルです。

カルシウムは、生物によって消費され、その構造と代謝に使用されるため、生物学的段階です。生物が死ぬと、カルシウムは土壌と海底の一部として物理環境に再統合されます。

カルシウム。出典：Pumbaa（Greg Robsonによるオリジナル作品）/ CC BY-SA 2.0 UK（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/uk/deed.en）

特に海底や五大湖には、貝殻や骨の広範な堆積物があります。これらの構造は堆積物と混ざり合い、何百万年にもわたって連続する層によって覆われています。

堆積物の下層は高圧にさらされて堆積岩を形成し、その後、地上の地質学的プロセスのために表面に曝されます。露出した岩石は風化と侵食を受け、土壌に組み込まれたり、洗い流されたりするカルシウムを放出します。

土壌では主に植物の根に吸収され、海では植物プランクトンや他の生物に吸収されます。カルシウムは、たとえば殻の製造など、さまざまな構造的および代謝的な目的で使用されます。

カルシウムサイクルは、この要素がさまざまな段階で利用可能になり、さまざまな機能を果たすため、重要です。したがって、生物の構造の一部であり、陸上のレリーフの形成に参加し、土壌と水のpHを調整し、人間産業の原料として機能します。

一般的な特性

-カルシウム

カルシウム（Ca）は、原子番号20、原子質量40.078のアルカリ土類軟金属で、通常の状態は固体です。強塩基として作用する酸化物を形成し、酸と接触すると激しく反応します。

-あなたのサイクル

カルシウムには気相がなく、最大の埋蔵量はリソスフェアにあるため、堆積タイプの生物地球化学サイクルを満たします。炭素、水、リンの循環と密接に関連しています。

岩の侵食

このサイクルは、土壌に沈着したカルシウムを放出する石灰質岩の風化と浸食から発生します。同様に、それは流出水に溶解して川、湖、海に洗い流すことができます。

雨水が大気中のCO2と接触すると、H2CO3を形成して石灰岩を溶解し、Ca2 +とHCO3-を放出します。一方、雨水によって運ばれるCO2は不溶性炭酸塩を可溶性重炭酸塩に変換します。

生物による吸収と使用

土壌中のカルシウム（Ca2 +）は植物に吸収され、水域では水生生物に吸収されます。体内では、カルシウムはさまざまな代謝機能を果たし、生物が死ぬと、流出水によって運ばれて川、湖、海に運ばれ、物理的な環境に戻ります。

岩石層

動物の骨格（内部および外部またはシェル）は、堆積物の一部として海底に堆積します。堆積層は何百万年にもわたって覆われ圧縮されて、石灰質の岩石を形成します。

石灰質の岩。出典：Ferdous / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）

後期の地殻変動プロセス（亀裂と地球の地殻の上方への移動）により、岩が表面に露出します。このようにして、岩は再び風化し（気候要素の作用）、風化および侵食されるため、サイクルは閉じられます。

カルシウムサイクルの段階

カルシウムが貯蔵および循環サイクルで通過する段階は、これらのプロセスが発生する区画によって与えられます。これらは、地殻と地球のマントル（リソスフェア）の一部、水域（水圏）、および生物です。

-地質段階

地質学の段階では、地殻とマントルに区画化されており、カルシウムの貯蔵量が最も多い場所です。カルシウムは、リソスフェアで5番目に豊富な元素で、地球の地殻の3.5％を占めています。

石灰岩、ドロマイト、マール、大理石などの岩石の一部を形成しており、石灰岩とドロマイトは、地球全体に巨大な山脈を形成しています。同様に、石膏やアラバスター（硫酸カルシウム）などの他の天然化合物の一部です。

ミネラル形態では、方解石、ドロマイト、およびアラゴナイトなどの他の結晶形から炭酸カルシウム（CaCO3）として得られます。

石灰岩

それは、99％の炭酸カルシウムで構成される、古代の海洋または湖沼堆積物（湖）に由来する非常に豊富なタイプの堆積岩です。これらの岩石は水平層を形成するか、地殻変動によって変形し、その風化によりカルシウムが豊富な中性から塩基性の土壌（pH 7以上）が生じます。

ドロマイト

浅い海洋堆積物に化学置換反応により形成された堆積岩からなる。この場合、マグネシウムはミネラル構造に関与し、ドロマイトまたはカルシウムマグネシウムカーボネート（CaMg（CO3）2）を形成します。

マルガス

それらは、炭酸カルシウムの1/3から2/3と残りの粘土によって形成された堆積岩です。これらの岩は、水による侵食の影響を非常に受けやすいため、乾燥地域で生き残ります。

大理石

石灰岩が地球の地殻の深い層で高温高圧にさらされると、大理石が形成されます。これは非常にコンパクトな変成岩で、高度の結晶化が見られます。

-水文学的段階

カルシウムは、塩化カルシウム（この培地で最も豊富なイオン）と炭酸カルシウムとして川、湖、海に溶解します。海洋では、炭酸カルシウム（CaCO3）は4,500 m未満の深度で安定しています。

この培地のカルシウムは、生物や海底の石灰岩の堆積物に含まれています。これは炭酸塩補償の深度制限であり、その後、CaCO3は溶解して石灰岩の堆積物を形成しません。

-生物学的段階

土壌から根へのカルシウムの移動。木部から植物の葉まで。Dhagerty / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0）

この段階で、カルシウムサイクルは最大の循環に達し、Ca2 +イオンとして細胞膜の交換メカニズムの一部であるため、生物にとって不可欠です。一方、それは骨、歯、卵殻および殻の必須成分です。

二枚貝のカルシウムの殻。ソース：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bivalvia.jpg

このようにして、カルシウムは生物圏を循環し、生物が死ぬと堆積物に戻り、時間の経過とともに新しい岩石を形成します。

人間

カルシウムサイクルの生物学的段階の優れた要素は、この要素を原料として使用する際の人間の役割です。この元素は抽出され、輸送され、さまざまな方法で大量に使用されます。

露天掘り鉱山では、石灰岩を抽出して建設要素として使用したり、石灰岩を粉砕して産業用原料として使用したりします。殻はまた、肥料やその他の製品を準備するために粉砕されます。

有孔虫と軟体動物の殻

これらの動物の殻は、炭酸カルシウムから形成され、方解石またはアラゴナイトとして結晶化します。これらは、同じ組成（CaCO3）の2つの鉱物形態ですが、結晶化が異なります。

軟体動物は、特殊な細胞から分泌される液体のカルシウムから殻を形成します。殻の最も内側の層は、コンキオリンタンパク質と混合されたアラゴナイト結晶で形成された真珠層です。

重要性

カルシウムが循環し、その特徴的なサイクルを形成することは、この元素を生物が利用できるようにするために不可欠です。岩からカルシウムを放出して循環させるプロセスのおかげで、私たちが知っているように生命が存在します。

-人生に欠かせない要素

カルシウムは構造的要素であり代謝的要素でもあるため、生命にとって不可欠です。構造的に、それは内部と外部の両方の骨格の構造の基本的な部分です。

骨のある動物では、カルシウムは歯の骨（内骨格）の主成分でもあります。有孔虫（原生生物）と軟体動物（カタツムリと二枚貝）では、外骨格、つまり殻を形成するための主成分です。

代謝

カルシウムは細胞膜​​の輸送物質であるため、代謝に重要な役割を果たします。細胞膜には、この要素の細胞への受動的な侵入を可能にするカルシウムチャネルがあります。

カルシウムチャンネル。出典：UlrichFörstermann-Elsevier GmbH / Public domain

これは細胞内外のカルシウム濃度の関係を調整し、異なる代謝プロセスを活性化します。たとえば、これらのメカニズムは神経系と筋肉系の機能に不可欠であり、したがって心機能に関連する役割を果たします。

-食と健康

人間の視点から見ると、カルシウムサイクルはこの要素を食品や人間の健康に利用できるようにします。とりわけ、それは子供たちのための乳製品の生産と準備に不可欠です。

同様に、薬用の摂取は骨粗しょう症などのカルシウム欠乏症の治療に使用されます。この骨衰弱性疾患は、特に高齢者、特に女性に深刻です。

-真珠

カキに異物が侵入すると、真珠母貝で覆い真珠が形成されます。真珠は、世界中の宝石市場で高い価値に達しています。

-工業原料

石灰石は、セメントの製造など、さまざまな目的で工業的に使用されます。また、これらの石は彫刻が容易なため、建築材料として直接使用されます。

さらに、カルシウムはさまざまなプロセス、特に冶金業界で脱酸剤および還元剤として使用されます。

ライム

生石灰は、建築用石灰とも呼ばれ、建設時にバインダーやコーティングとして使用される酸化カルシウムです。同様に、石鹸、紙、ガラス、ゴムの製造や革のなめしに使用されます。

同様に、食品産業や水処理でもさまざまな用途があります。消石灰または水酸化カルシウムとして、それは産業および農業でも使用されます。

-土壌のpH調整

土壌中の酸化カルシウムの含有量は、pHの調節に影響を与えます。農業では、生石灰は土壌の酸性度を下げるための農業改良剤として、また肥料としても使用されます。

-石灰水または硬水

カルシウムとマグネシウムが豊富な環境で水が循環する場合、水はこれらの元素の塩を溶解し、石灰質または硬水として知られています。水質の上限は120 mg CaCO3 /リットルで、これを超えると水は硬いと見なされます。

高カルシウム含有量の水は、特に心血管系に関連する健康上の問題を引き起こす可能性があります。さらに、硬水はパイプ内に石灰質の堆積物を生成し、循環を妨げます。

-石灰質の洞窟と帯水層

石灰質の岩では、水力による侵食によって、興味深い内部構造を持つ地下洞窟システムが形成されることがよくあります。これらの中で、鍾乳石と石筍の形成は、これらの洞窟の屋根のリークからの炭酸カルシウムの堆積物のために際立っています。

これらの石灰質システムは、その多孔性により地下水のろ過機能も実行し、帯水層を形成します。

参考文献

1. Calow、P.（編）（1998）。生態学と環境管理の百科事典。
2. クリストファーR.およびフィールディング、CR（1993）。河川堆積学における最近の研究のレビュー。堆積地質。
3. マーガレフ、R。（1974）。生態学。オメガ版。
4. Miller、G.およびTYLER、JR（1992）。生態学および環境。Grupo EditorialIberoaméricaSA de CV
5. Odum、EPおよびWarrett、GW（2006）。生態学の基礎。第5版。トムソン。