Детальний розгляд біосфери було необхідно не тільки для усвідомлення космічної ролі живої речовини у формуванні сучасного вигляду планети, воно важливе для розуміння того, що на відміну від невичерпного потоку сонячної енергії, потік речовини для побудови всього живого обмежений межами біосфери. З огляду на те, що рослини і тварини можуть використовувати лише ті біогенні елементи, які знаходяться на поверхні Землі або поблизу неї, для збереження життя необхідно, щоб матеріали, асимільовані будь-якими організмами, в кінцевому рахунку ставали доступними іншим організмам. Єдиний механізм, здатний забезпечити подібну спадкоємність - це механізм циркуляції елементів протоплазми із зовнішнього середовища в організми і знову в зовнішнє середовище. Тобто біогенні елементи на відміну від енергії повинні утримуватися в екосистемі, де вони здійснюють безперервний кругообіг, в якому беруть участь як живі організми, так і фізична середа.
Відомо, що з 90 з гаком елементів, що зустрічаються в природі 30 ? 40 потрібні живим організмам; деякі елементи, такі, як вуглець, водень, кисень і азот необхідні організмам у великих кількостях, інші - у малих або навіть у незначних кількостях.
Яка б не була потреба в них, життєво важливі для організму елементи беруть участь у кругообігу. Елементи, що не мають такого істотного значення, хоч і не так тісно пов'язані з організмами, але також беруть участь в циклічному русі. Часто вони рухаються тими ж шляхами, що й незамінні елементи, з-за свого хімічного спорідненості з останніми.
Ці більшою чи меншою мірою замкнуті шляху отримали назву біогеохімічних циклів. Назва чітко відображає суть того, що обмін речовин здійснюється між живими і неживими компонентами біосфери.
У природі елементи ніколи, або майже ніколи не розподілені рівномірно по всій екосистемі і не перебувають усюди в одній і тієї ж хімічної формі.
Наприклад, кисень міститься в атмосфері у газоподібному формі - у вигляді молекулярного кисню (О2) і у вигляді діоксиду вуглецю (СО2); у воді кисень міститься в розчиненому вигляді, але, крім того, він в поєднанні з воднем входить до складу самої води ( Н2О). У літосфері кисень зустрічається у формі оксидів (Fе2О3 тощо) і солей (головним чином у вигляді CаСО3). Швидкість переходу елемента з одного неорганічного з'єднання в інше і його доступність в неорганічної формі живим організмам сильно варіюють. Найбільший фонд кисню, в який входить понад 90% всього кисню, що знаходиться біля поверхні Землі, - це карбонат кальцію осадових порід, зокрема вапняків; за винятком невеликих кількостей, що звільняються в результаті вулканічної діяльності, кисень, що входить до складу вапняків та інших осадових порід, зовсім недоступний живим організмам. На відміну від кисню азот зустрічається, головним чином, у газоподібному формі (N2) в атмосфері, проте рослини асимілюють азот в основному з нітратів (NO3-), що містяться в грунті або у воді. Незважаючи на своє достаток, атмосферний азот грає незначну роль в круговороті живильних речовин.
Таким чином, в кожному круговороті зручно розрізняти дві частини, або два "фонду":
1) Резервний фонд - велика маса повільно рухомих речовин, в основному небіологічних компонент, тобто та частина кругообігу, яка є фізично або хімічно відокремлена від організмів;
2) Рухливий (або обмінний фонд) - менший, але більш активний, для якого характерний швидкий обмін між організмами і їхнім безпосереднім оточенням.
Іноді резервний фонд називають "недоступним" фондом, а активний, циркулюючий фонд - доступним або обмінним. Такі терміни допустимі, якщо тільки не розуміти їх занадто буквально. Будь-який атом, що знаходиться в резервному фонді не обов'язково весь час недоступний для організмів, так як між доступним і недоступним фондами існує постійна повільний обмін.
Екосистему зручно представити у вигляді ряду блоків, через які проходять різні матеріали і в яких ці матеріали можуть залишатися протягом різних періодів часу (рис.6).
У вирі мінеральних речовин в екосистемі в більшості випадків беруть участь три активних блоку: живі організми, мертвий органічний детрит і доступні неорганічні речовини. Два додаткових (резервних) блоку - побічно доступні неорганічні речовини й осаджуються органічні речовини - пов'язані з кругообігу біогенних елементів у будь-яких периферичних ділянках, проте обмін між цими блоками і решті екосистемою уповільнений у порівнянні з обміном, що відбуваються між активними блоками.
Процеси, що забезпечують перенесення біогенних елементів в межах екосистеми, представлені на рис.6. Асиміляція і створення продукції супроводжуються переходом мінеральних речовин з неорганічного блоку в органічний: у круговороті вуглецю, кисню, азоту, фосфору і сірки найголовнішим компонентом цього етапу є первинна продукція, створювана рослинами; проте тваринам необхідні, крім того, багато інших важливих елементи, такі , як натрій, калій і кальцій, і вони асимілюють ці елементи безпосередньо з води, яку п'ють.
Деяка частина вуглецю і кисню повертається в результаті дихання безпосередньо у фонд доступних неорганічних живильних речовин, можливо, після багаторазових кругообіг в межах блоку живої біомаси у хижим харчових ланцюгах.
Рис.6. Блочна модель екосистеми з зазначенням деяких найбільш важливих шляхів обміну мінеральних речовин.
Кальцій, натрій та іони інших мінеральних речовин виділяються або вимиваються з листя дощем або водою, навколишнього водні організми, і теж швидко знову вступають в круговерть. Більша частина вуглецю та азоту, що включилися в процесі асиміляції в живу біомасу, після загибелі організмів, а також у результаті екскреції переноситься в детрітний блок. Деякі біогенні елементи, що містяться в детрит, можуть бути повернуті в блок біомаси детрітояднимі організмами, але всі вони в кінцевому рахунку в результаті вимивання і розкладання знову потрапляють до фонду доступних неорганічних речовин. Обмін між фондами активно беруть участь у кругообігу мінеральних речовин і величезними резервуарами побічно доступних біогенних елементів, укладених в атмосфері, вапняках, кам'яному вугіллі та в утворюють земну кору гірських породах, відбувається повільно, головним чином, в результаті геологічних процесів.
Процеси асиміляції та розпаду, завдяки яким відбуваються круговороти біогенних елементів у біосфері, тісно пов'язані з поглинанням і вивільненням енергії організмами. Найбільш тісно пов'язаний з перетвореннями енергії в співтоваристві круговорот вуглецю, тому що більша частина енергії, асимілюватися в процесі фотосинтезу, міститься в органічних сполуках, що містять вуглець. У більшості процесів, які супроводжуються виділенням енергії, серед яких найголовнішим є дихання, вуглець вивільняється у вигляді діоксиду вуглецю. Коли в організмі відбувається метаболізм органічних сполук, що містять азот, фосфор і сірку, ці елементи нерідко утримуються в ньому, оскільки вони необхідні для синтезу структурних білків, ферментів та інших органічних молекул, що утворюють структурні та функціональні компоненти живих тканин. Тому проходження азоту, фосфору і сірки через кожен трофічний рівень кілька уповільнено порівняно з середнім часом перенесення енергії.
При оцінці впливу діяльності людини на біогеохімічні цикли важливі порівняльні обсяги резервних фондів. Як правило, змінам схильні, в першу чергу, найбільш малооб'ємні і малорухомі фонди.
Поділ біогеохімічних циклів на круговороти газоподібних речовин і осадові цикли заснований на тому, що деякі круговороти, наприклад, ті, в яких беруть участь вуглець, азот або кисень, завдяки наявності великих атмосферних або океанічних (або ж і тих і інших) фондів досить швидко компенсують різноманітні порушення. Наприклад, надлишок СО2, що накопичився в будь-якому місці в зв'язку з посиленим окисленням або горінням, зазвичай швидко розсіюється повітряними потоками; крім того, посилене утворення СО2 компенсується посиленим його споживанням рослинами і перетворенням у карбонати в море. Круговороти газоподібних речовин з їх великими атмосферними фондами можна вважати в глобальному масштабі "добре забуференнимі", оскільки їх здатність пристосовуватися до змін велика. Але здатність до саморегуляції навіть при такому великому резервному фонді, яким є атмосфера, має свої межі. Осадові цикли, в яких беруть участь такі елементи, як фосфор і залізо, зазвичай набагато менш схильні до самоконтролю і легше порушуються в результаті місцевих пертурбацій, тому, що в цих випадках основна маса речовини зосереджена у відносно малоактивних і малорухливому резервному фонді в земній корі. Отже, якщо "спуск" чиниться швидше, ніж зворотний "підйом", то якась частина обмінного матеріалу на тривалий час вибуває з кругообігу; механізми, що забезпечують повернення в кругообіг, в багатьох випадках засновані, головним чином, на біологічних процесах.
Людина унікальний не тільки тим, що у своїй діяльності він використовує майже всі наявні в природі елементи, а також ряд нових, штучно створених ним. Він так прискорює рух багатьох речовин, що круговороти стають недосконалими або процес втрачає циклічність і складається протиприродна ситуація: в одних місцях виникає недолік, а в інших - надлишок якихось речовин. У зв'язку з цим першочергове завдання - кількісне вивчення біогеохімічних циклів.