Углерод, азот и кислород относятся к наиболее жизненно важным биогенным элементам, из которых в основном состоят белковые молекулы. Фосфор и сера не менее важны, чем углерод, азот и кислород, для ряда белковых молекул и тоже относятся к важнейшим биогенным элементам.
Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода наиболее совершенны и способны к быстрой саморегуляции благодаря большим запасам этих газов в атмосфере.
В круговороте углерода (СО2) (скорость оборота порядка 300 лет) четко прослеживается трофическая цепь: продуценты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы - поглощающие углерод вместе с телами жертв, редуценты - возвращающие углерод вновь в круговорот. В Мировом океане часть углерода мертвого организма «уходит» в осадочные породы и участвует уже в геологическом круговороте. Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса: 500 млрд. т - 2/3 от его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот этого элемента приводит к возрастанию содержания СО2 в атмосфере.
Скорость круговорота кислорода - две тысячи лет, именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле - зеленые растения. С круговоротом кислорода тесно связано образование в высоких слоях атмосферы озона. Главный потребитель кислорода - животные и растения, расходующие его на дыхание. Но и на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23 % кислорода, образовавшегося в процессе фотосинтеза. Предполагается, что к 2010 г. весь продуцированный кислород будет сгорать в топках, а следовательно, необходимы усиление фотосинтеза и другие радикальные меры.
Биогеохимический круговорот азота не менее сложен. Растениями он усваивается только в форме соединения его с водородом и кислородом. Редуценты, а конкретно, почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Азот в виде нитратов и нитритов усваивается растениями и может передаваться по трофическим цепям, отравляя консументов. Часть нитратов в процессе круговорота загрязняет подземные воды. Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только двенадцать их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится.
Биогеохимнческие циклы фосфора и серы значительно менее совершенны, чем циклы указанных выше веществ, так как это типичный осадочный биогеохимический цикл. Возвратиться опять в круговорот эти биогены могут лишь в результате геологических процессов или путем извлечения их из окружающей среды живым веществом.
Фосфор содержится в горных породах и может попасть в круговорот в случае выветривания этих пород. В его круговороте выделяют две части - водную и наземную. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка - морских птиц. С их экскрементами (гуано) фосфор снова попадает в море и вступает в круговорот, туда же он возвращается и из отмирающих морских животных, но часть их скелетов достигает дна и он снова попадает в осадочные породы. В наземных экосистемах растения извлекают фосфор из почв, возвращается он в почву после отмирания организмов и с их экскрементами, а теряется из нее в результате водной эрозии.
Сера не является лимитирующим биогеном, так как ее природные ресурсы достаточно велики. Она, как и фосфор, имеет основной резервный фонд в породах и почве, но, кроме того, имеет резервный фонд и в атмосфере. В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2 и др.), в растворах - в форме иона (SO42-), в газообразной фазе - в виде сероводорода (H2S) или сернистого газа (SO2). В морской среде сульфат-ион является основной доступной формой серы для автотрофов. В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, окисляется, и возникшие сульфаты поглощаются растениями из почвенных растворов- так продолжается круговорот. Круговорот серы является ключевым при продуцирований и разложении (Ю. Одум, 1986). Например, при образовании сульфидов железа растворим фосфор и доступен организмам.
Однако круговорот серы может быть нарушен вмешательством человека: сернистый газ (S02), являющийся продуктом сжигания топлива, нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности. Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком и становятся ациклическими.