لماذا يرسل الكالسيوم الإشارة لا أيون آخر؟
تحافظ كل الخلايا تقريبًا على كالسيومها الداخلي قرب 100 نانومول، بينما يبلغ في الخارج نحو 2 ميلي مول. والفارق بمعامل عشرة آلاف، والحفاظ عليه يكلّف طاقة باستمرار.
ولذلك الإنفاق سبب. فالإشارة نافعة إن كان التغيّر كبيرًا وسريعًا. ومع تدرّج بهذه الحدة، يضاعف فتح قناة لمللي ثوانٍ التركيز الداخلي مئة مرة في جوار القناة. وإغلاقها وضخّ الكالسيوم عائدًا يعيد النظام إلى الراحة بالسرعة نفسها.
ولا يقدّم أي أيون وفير آخر ذلك. فالصوديوم والبوتاسيوم بتراكيز أعلى مما ينبغي في الداخل والخارج ليغيّر تدفق صغير شيئًا ملحوظًا. والمغنسيوم يرتبط بالبروتينات بنوعية أقل.
وللكالسيوم أيضًا هندسة تنسيق مرنة: فهو يقبل بين ستة وثمانية روابط بمسافات متغيرة، وهو ما يتيح للبروتينات تصميم مواضع تلتقطه بألفة عالية وتطلقه عند الطلب.
في العضلة يرتبط الكالسيوم المتحرر من الشبكة الساركوبلازمية بالتروبونين C. ويزيح تغيّر الشكل التروبوميوسين فيكشف مواضع الأكتين التي يعلق فيها الميوسين. والتقلص نتيجة مباشرة.
وفي المشبك يفتح وصول النبضة قنوات كالسيوم ويثير دخوله اندماج حويصلات الناقل العصبي مع الغشاء. وبلا كالسيوم لا نقل عصبي.
وفي التخثر الكالسيوم هو العامل الرابع ويشارك في عدة مراحل من السلسلة. وأنابيب التحليل بالسترات تعمل لأن السترات تحتجز الكالسيوم فتوقف التخثر.
كيف يوجد الكالسيوم في العظام؟
على هيئة هيدروكسي أباتيت، وهو فوسفات كالسيوم صيغته التقريبية Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂.
والعظم ليس كتلة معدنية. بل مادة مركّبة: ألياف كولاجين تمنح المتانة ومقاومة الشدّ، مع بلورات هيدروكسي أباتيت مترسّبة بينها تمنح الصلابة ومقاومة الضغط.
والتشبيه المعتاد هو الخرسانة المسلحة، فالكولاجين بدور الفولاذ والمعدن بدور الخرسانة. ولا ينفع أيّ منهما وحده: فالكولاجين وحده سيكون مرنًا والمعدن وحده هشًّا.
ويحوي البالغ نحو كيلوغرام كالسيوم، و99 % منه في الهيكل والأسنان. أما الـ1 % الباقي فهو الذي يدور ويرسل الإشارات، وتركيزه في الدم منظّم بدقة لافتة.
ولذلك التنظيم أولوية على العظم. فإن هبط كالسيوم الدم عبّأ هرمون جارات الدرق كالسيومًا من الهيكل لاستعادته. فالعظم يعمل احتياطًا، ونقص غذائي مديد يُدفع ثمنه من كثافة العظم.
وميناء السن هيدروكسي أباتيت أيضًا، لكن بمادة عضوية قليلة جدًّا وببلورات أكبر بكثير؛ ولهذا كان أقسى نسيج في الجسم ولا يتجدد في الوقت نفسه.
ما الرابط بين الكهوف وكلس الصنبور والجبال؟
تفاعل واحد، في اتجاه أو في عكسه.
كربونات الكالسيوم غير ذائبة في الماء النقي. لكن ماء المطر يذيب ثاني أكسيد الكربون من الهواء فيصير حامضيًّا قليلًا، وفي تلك الظروف يذوب الحجر الجيري فعلًا:
CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca(HCO₃)₂وبيكربونات الكالسيوم ذائبة. والماء المحمّل بها يجري في الشقوق ويوسّعها: وهكذا تتكوّن الكهوف الكارستية والمناظر كتلك في غويلين أو في جبال الأطلس.
وحين يبلغ ذلك الماء تجويفًا ويطلق جزءًا من CO₂ ينعكس التوازن وتترسّب كربونات الكالسيوم من جديد. فتُبنى قطرةً قطرة الهوابط والصواعد، بمعدل أعشار الملليمتر في السنة.
ويحدث الشيء نفسه بالضبط في إبريق الشاي. فتسخين الماء يطرد CO₂ المذاب، وينزاح التوازن، ويترسّب الكلس على عنصر التسخين. ولهذا سُميت العسرة المؤقتة: فغلي الماء يزيلها بترسيبها.
والحجر الجيري نفسه كربونات كالسيوم تراكمت ملايين السنين من أصداف وهياكل كائنات بحرية. فجبال الألب تحوي قيعان بحار قديمة مرفوعة؛ والرخام حجر جيري أُعيد تبلوره بالضغط والحرارة.
كيف يتحول الحجر الجيري إلى إسمنت؟
بتكليسه ثم إعادة إماهته، مع مرحلة وسيطة حاسمة.
فتسخين كربونات الكالسيوم فوق نحو 900 °م يفككها إلى جير حيّ وثاني أكسيد كربون:
CaCO₃ → CaO + CO₂والجير الحيّ الممزوج بالماء يعطي جيرًا مطفأً يتصلّب ببطء بإعادة امتصاص CO₂ من الهواء وعودته كربونات. وذلك مونة الجير، المستعملة منذ القدم.
أما إسمنت بورتلاند فيذهب أبعد. يُكلَّس الحجر الجيري مع الطين عند نحو 1450 °م، وينتج التفاعل سيليكات وألومينات كالسيوم في هيئة عقيدات تسمى الكلنكر. ويُطحن ويُخلط بالجبس فيكون الإسمنت.
وعند إضافة الماء تتميّه تلك السيليكات وتكوّن شبكة من بلورات ليفية متشابكة تحبس الماء المتبقي. وتسمى العملية الشدّ وليست تجفيفًا: فالإسمنت يتصلّب تحت الماء، وإنضاجه يقتضي إبقاءه رطبًا.
⚠️ ويطلق إنتاج الإسمنت نحو 7 % من CO₂ العالمي. ونحو نصف ذلك من الوقود اللازم لبلوغ 1450 °م، والنصف الآخر من CO₂ الذي يطلقه الحجر الجيري نفسه عند تفككه. وذلك النصف الثاني لا يزول بتغيير مصدر الطاقة، وهو ما يصعّب إزالة الكربون من الخرسانة.
كيف يُستحصل الكالسيوم الفلزي؟
بالتحليل الكهربائي لكلوريد الكالسيوم المنصهر، أو باختزال أكسيده بالألومنيوم في الخلاء.
والطلب صغير. ويُستعمل الكالسيوم الفلزي منزوعًا للأكسجين في علم المعادن، ومختزلًا لاستخلاص فلزات كاليورانيوم أو الثوريوم، وفي سبائك الرصاص للبطاريات.
أما ما يُنتَج على نطاق واسع فمركّباته. فالحجر الجيري مادة خام للإسمنت والزجاج والفولاذ، حيث يعمل صهورًا يزيل الشوائب. والجبس، وهو كبريتات كالسيوم، يُستعمل في البناء وفي الجبائر. وكربيد الكالسيوم، المستحصل من الجير والفحم، يولّد الأسيتيلين بالماء وكان أساس إنارة مصابيح عمال المناجم.
والكالسيوم الفلزي طريّ فضّي اللون ويتأكسد بسرعة في الهواء، وإن كان أقل عنفًا بكثير من القلويات. ويحترق بلهب أحمر برتقالي، وهو ما يكشفه في اختبار اللهب ويجعله مفيدًا في الألعاب النارية.