Важлива властивість біосфери - наявність в ній механізмів, що забезпечують кругообіг речовин і пов'язану з ним невичерпність окремих хімічних елементів і їх з'єднань. Сонячна енергія забезпечує на Землі два кругообігу речовин - геологічний, або великий, круговорот і біологічний, малий, кругообіг.
Геологічний кругообіг найбільш чітко проявляється у кругообігу води. На Землю від Сонця щорічно надходить 5,24 x 10 24 Дж енергії. Близько половини її витрачається на випаровування води. При цьому з океану випаровується більше води, ніж повертається з опадами. На суші, навпаки, більше випадає опадів, ніж випаровується води. Надлишки її стікають в річки і озера, а звідти - знову в океан (переносячи при цьому певну кількість мінеральних сполук). Це і обумовлює великий круговорот в біосфері, заснований на тому, що сумарне випаровування води з Землі компенсується випаданням опадів.
З появою живої речовини на основі геологічного кругообігу виник кругообіг органічної речовини, біологічний (малий) круговорот.
У міру розвитку живої речовини з геологічного кругообігу постійно витягуються все більше елементів, які вступають на новий біологічний круговорот. На відміну від простого перенесення мінеральних речовин в геологічному, як у вигляді розчинів, так і у вигляді механічних опадів, в біологічному кругообігу найважливішими моментами є синтез і руйнування органічних сполук. На противагу геологічного, біологічний володіє невеликою енергією. На створення органічної речовини, як правило, витрачається всього 0,1-0,2% всієї що надходить на Землю сонячної енергії (на геологічний круговорот - 50%). Незважаючи на це, енергія, залучена в біологічний круговорот, виробляє величезну роботу зі створення первинної продукції.
З появою на Землі живої матерії хімічні елементи безперервно циркулюють у біосфері, переходячи із зовнішнього середовища в організми і знову в зовнішнє середовище. Така циркуляція по більш-менш замкнутим шляхах називається біогеохімічним циклом.
Основними биогеохимическими циклами є кругообіг кисню, вуглецю, води, азоту, фосфору, сірки та інших біогенних елементів.
Біогенна міграція речовини - одна з форм загальної міграції елементів в природі. Під біогенної міграцією слід розуміти міграцію органічного і відсталого речовини, що бере участь в зростанні і розвитку живих організмів і виробленого ними в результаті складних біохімічних і біогеохімічних процесів. В.І. Вернадський сформулював закон біогенної міграції атомів, який говорить:
Міграція хімічних елементів в біосфері здійснюється або за безпосередньої участі живої речовини, або протікає в середовищі, геохімічні особливості якої (О2. СО2. Н2 і т.д.) обумовлені живою речовиною (тим, яке населяє біосферу в даний час і тим, яке діяло на Землі протягом всієї геологічної історії).
Людина впливає насамперед на біосферу і її живе населення, тому він тим самим змінює умови біогенної міграції атомів, створюючи передумови для глибоких хімічних змін. Таким чином, процес може стати саморозвивається, не залежних від бажання людини, і при глобальному масштабі практично некерованим.
З точки зору планетарного кругообігу речовини найбільш важливим є грунтово-ландшафтний, гідросферні і глибинний (внутриземной) цикли. У першому з них здійснюється витяг хімічних елементів з гірських порід, води, повітря, розкладання органічної речовини, поглинання і синтез різних органічних і органо-мінеральних сполук. У гідросферні циклі головну роль відіграють склад води і біологічна активність живих організмів. Біопродуцірованіе речовини здійснюється при пануючому участю фіто- і зоопланктону. У глибинному циклі біогенної міграції найбільш важлива роль належить діяльності анаеробних мікроорганізмів.
Процеси, що відбуваються в різних оболонках Землі, знаходяться в стані динамічної рівноваги, і зміна будь-якого з них тягти за собою нескінченні ланцюжки часом незворотних явищ. У кожному природному кругообігу доцільно розрізняти дві частини, або два «фонду»:
- резервний фонд - велика маса повільно рухаються речовин, в основному, неорганічної природи;
- рухливий, або обмінний, фонд - менший, але більш активний, для якого характерний швидкий обмін між організмами і навколишнім середовищем.
Обмінний фонд утворюється за рахунок речовин, які повертаються в круговорот або за рахунок первинної екскреції (від лат. - виділене) тваринами, або при розкладанні детриту мікроорганізмами.
Якщо мати на увазі біосферу в цілому, то біогеохімічні цикли можна поділити на два основних типи:
- круговорот газоподібних речовин з резервним фондом в атмосфері або гідросфері;
- осадовий цикл із резервним фондом в земній корі.
Кругообіг азоту. Кругообіг азоту - це приклад саморегульованого циклу з великим резервним фондом в атмосфері. Повітря, на 78% складається з азоту, є найбільший «резервуар» і одночасно, внаслідок своєї малої хімічної активності, - «запобіжний клапан» системи. Азот постійно надходить в атмосферу завдяки діяльності денитрифицирующих бактерій і постійно витягується з атмосфери в результаті діяльності азотфіксуючих бактерій і деяких водоростей (біохімічна фіксація азоту), а також дії електричних розрядів під час грози. Кругообіг азоту складається з наступних процесів:
- фіксація азоту свободноживущими і симбиотическими ґрунтовими бактеріями і синьо-зеленими водоростями;
- асиміляція азоту рослинами, включення його в білки та інші азотовмісні речовини;
- передача органічних сполук азоту в харчових ланцюгах;
- аммонификация органічних сполук азоту - звільнення азоту у вигляді іонів амонію (NH +) з мертвої органічної речовини, здійснюється грунтовими мікроорганізмами-амоніфікаторів;
- нітрифікація - окислення іона амонію до нітриту (NО2 -) або нітриту до нітрату (NО3 -). Йде за участю ґрунтових мікроорганізмів нитрификаторов;
- денітрифікація - відновлення нітритів і нітратів до газоподібного молекулярного азоту N2. відбувається в грунті завдяки роботи мікроорганізмів денітрифікатори.
Таким чином, кругообіг азоту зобов'язаний своєю замкнутістю саме грунтовим бактеріям. В цілому круговорот азоту уповільнений і повністю залежить від живого речовини. У літосфері запаси неорганічного азоту відсутні. Лише іноді в посушливих районах можуть накопичуватися нітрати Nа (селітра). Запаси органічного азоту, так зване гуано - продукт розкладання пташиного посліду в «пташиних базарах» накопичується на островах біля західного узбережжя Південної Америки.
Людська діяльність порушує цикл азоту. При оранці земель знижується активність мікроорганізмів азотфиксаторов приблизно в 5 разів, збільшується активність денітрифікатори, що веде до зниження ґрунтової родючості.
Кругообіг вуглецю. В круговороті вуглецю (вуглекислого газу) атмосферне фонд дуже невеликий в порівнянні з запасами вуглецю, що входить до складу численних органічних і неорганічних сполук. Джерелом первинного СО2 є вулканічна діяльність, пов'язана з віковою дегазацією магми і нижніх горизонтів земної кори. Міграція СО2 йде двома шляхами. Перший полягає в зв'язуванні його в процесі фотосинтезу і утворення органічної речовини, яке відкладається в глобальному масштабі у вигляді багаторічного детриту: торфу, нафти, газу, вугілля. Другим шляхом міграція СО2 йде в водоймах зі створенням карбонатної системи: так як СО2 легко розчиняється у воді, утворюється слабка вугільна кислота, в воді вона може перебувати у вигляді іонів - карбонатів і гідрокарботнатов, процес йде за схемою: СО2 - Н2 СО3 - Н З3 -. СО3 2-. Карбонати осідають іонами Са і Мg, причому це може здійснюватися як абиогенно, так і біогенної. Виникають товщі вапняків. За деякими даними ставлення фотосінтезіровать СО2 до вапняного дорівнює 1. 4. Повернення вуглецю в атмосферу відбувається також двома шляхами: дихання рослин і тварин, дихання грунтів, розкладання рослинних і тваринних останків, по другому шляху - повернення в атмосферу з літосфери вапняків, гасіння вапна і крейди. Основним джерелом цих надходжень вважається масове спалювання багаторічного детриту, горючих копалин. Свій внесок вносять розвиток сільського господарства і знищення лісів. Ліси - важливі накопичувачі вуглецю, так як в їх біомасі міститься в 1,5 рази, а в лісовому гумусі - в 4 рази більше вуглецю, ніж в атмосфері. Вважають, що до настання індустріальної ери потоки вуглецю між атмосферою, материками і океанами були збалансовані. В даний час замкнутість кругообігу вуглецю знизилася приблизно на один порядок (тобто зменшилася приблизно в 10 разів), що при збереженні такої тенденції може призвести до глобальної екологічної проблеми.
Кругообіг фосфору. Кругообіг фосфору - приклад осадового циклу з резервним фондом в земній корі. Фосфор - важливий і необхідний елемент для живих організмів. Він циркулює, переходячи з органічних сполук в фосфати, які знову можуть використовуватися рослинами. Водорості і наземні рослини містять до 0,1% фосфору, тварини від 0,1% до кількох відсотків.
Загальний круговорот фосфору складається з двох частин - морський і наземної. У гірських породах фосфор зосереджений в основному в фосфоритах і апатитах (всього відомо 190 фосфоровмісних мінералів). В процесі вивітрювання (руйнування гірських порід під дією фізичних і хімічних атмосферних чинників) і переміщення продуктів вивітрювання гірських порід водою, вітром, льодом або під дією сили тяжіння фосфор переноситься природними водами в Світовий океан. У солоних морських водах фосфор переходить до складу фітопланктону, який служить їжею іншим організмам моря, з подальшим накопиченням в тканинах морських тварин, зокрема риб. Певна кількість фосфору переноситься на сушу морськими птахами і завдяки рибальству. Основна кількість фосфору залишається в надрах Світового океану.
Кругообіг фосфору незамкнений, більша його частина осідає на дні океанів, тому на суші фосфор належить до дефіцитних.