Как известно, три химических элемента — кислород, углерод и водород — составляют 98% общей массы живого вещества, при этом на первый из них приходится 70, на второй — 18 и на третий — 10%. В отличие от большей части кислорода и водорода, присутствующих в организмах в виде водной субстанции (являющейся растворителем и средой для протекания биохимических реакций), углерод является в сущности структурообразующим компонентом. В науке хорошо известна способность углерода легко образовывать углерод — углеродные связи, составлять полимерные цепи и кольца, служащие основой для получения разнообразных органических соединений.
В ходе длительной эволюции биосферы в распределении углерода произошли значительные изменения. Огромное количество углерода оказалось сконцентрированным на дне океана в виде малорастворимого карбоната кальция, а также в карбонатах осадочной толщи литосферы в виде каустобиолитов и т. д. Много углерода сосредоточено в биомассе суши и в организмах моря, в атмосфере, в гумосфере. Движущей силой современного глобального круговорота углерода является биологический круговорот, протекающий по следующей схеме: «биоассимиляция углерода из атмосферы, водной или наземной среды растениями, потребление органических соединений животными и людьми, окисление органических веществ до углекислого газа в процессе дыхания и разложения отходов, возврат углекислого газа в атмосферу».
Круговорот углерода на суше и в океане неодинаков: на суше он преимущественно возвращается обратно в атмосферу, в океане остается в основном в растворе. Известно, что океан является полуавтономной системой в газообмене с атмосферой, что указывает на медленный обмен углекислым газом в системе «океан — атмосфера». Что же касается системы «суша—океан», то здесь преобладает односторонняя миграция углерода в виде выноса этого элемента с суши в карбонатных и органических соединениях.
Громадный научный интерес представляет кругооборот кислорода — одного из важнейших элементов в природе, отчасти в связи с растущим его потреблением на промышленные и другие нужды. Существует мнение, что человечество в первую очередь столкнется с дефицитом именно кислорода, поскольку оно ежегодно сжигает примерно четвертую часть этого элемента, продуцируемого наземной растительностью.
Начало интенсивного накопления кислорода в атмосфере связывается с распространением фотосинтезирующих элементов около 2 млрд лет тому назад. В процессе длительной эволюции глобального круговорота кислорода наибольшая часть этого элемента осталась в атмосфере, другая часть оказалась растворенной в океане, третья была зафиксирована в земной коре в виде сульфатов, карбонатов, различных окислов.
Сравнительно хуже изучен глобальный круговорот азота, главным образом в связи с трудностями оценки составляющих круговорота. До сих пор точно неизвестно, какие конкретно организмы способны фиксировать азот, переводить его в такие химические соединения, которые могут использоваться живыми организмами. Между тем в биологическом круговороте из огромного запаса азота в атмосфере и осадочной оболочке литосферы принимает участие только фиксированный азот, усваиваемый живыми организмами суши и океана. В целом в естественных условиях процессы связывания и высвобождения азота уравновешивают друг друга.
Определенный интерес представляет осадочный круговорот фосфора — довольно редкого элемента в биосфере (в земной коре его содержание не превышает 1%). Схема круговорота фосфора на суше выглядит следующим образом: «поглощение растениями неорганического фосфора, перевод его в состав живого вещества растений и животных (а также людей), возвращение органических фосфатов вместе с трупами, отходами и экскрементами живых существ в землю, переработка фосфатов микроорганизмами».
Совсем иная картина имеет место в водоемах, что связано с осаждением отмерших организмов на дне водоема и накоплением их в донных отложениях. Хорошо известно, что разложение органики вблизи дна часто происходит в замедленном режиме вследствие недостаточного притока кислорода. В итоге минерализованный фосфор образует нерастворимый комплекс с трехвалентным железом и таким образом оказывается уже недоступным для усвоения водными организмами. Однако это не единственное «изъятие» фосфора из глобального круговорота. Большое его количество выносится в Мировой океан, скорость же обратного переноса (птицами и продуктами рыбного промысла) составляет значительно меньшую величину. Пример глобального круговорота фосфора показывает, какую опасность представляют любые малообдуманные воздействия человека на естественный ход биогеохимических процессов в биосфере.
Рассмотренные нами некоторые круговороты особо важных для биосферы элементов показывают огромную важность поддержания сложившихся динамических равновесий в едином глобальном биогеохимическом круговороте.