Колообіг води
Вода належить до основних речовин, необхідних для життя, та найпоширеніших у біосфері. В організмі людини вода становить до 73 % маси тіла, грибів – 80, а деяких медуз – 98 %. Вода в трьох агрегатних станах (рідка вода, газоподібна водяна пара і твердий лід) присутня в усіх трьох складових біосфери: атмосфері, гідросфері та літосфері. Основну роль у біогеохімічному колообігу відіграє атмосферна вода – переважно у вигляді водяної пари. Розподілена вона в атмосфері дуже нерівномірно і її розподіл залежить від географічної широти.
Під дією сонячної радіації вода випаровується з поверхні Світового океану і піднімається в атмосферу. Вологе повітря піднімається вгору, де водяна пара конденсується і утворює хмари. Завдяки охолодженню хмар вода у вигляді опадів – дощу, снігу та граду або у вигляді роси, після конденсації вологи на холодній поверхні, повертається на сушу чи в океан. В океан випадає близько 80 % загальної кількості опадів. Отже, переважно колообіг води здійснюється між атмосферою та океаном. На суші вода фільтрується в ґрунт, випаровується в атмосферу та поповнює річковий стік. Вода, що потрапила в ґрунт, використовується для живлення рослин, у процесі інфільтрації надходить у водоносні горизонти та підземні ріки. З поверхні суші та зелених рослин вода виділяється в атмосферу. Коренева система рослин також сприяє надходженню ґрунтової води в атмосферу. Завдяки транспірації рослинного покриву випаровується значна кількість води. Так, культура, яка продукує 20 т біомаси з одного гектара, поглинає близько 2000 т води. На фотоліз молекули води при асиміляції її хлорофілом витрачається близько 0,15 % загальної маси води, яку поглинає рослина. Рослини виділяють води тим більше, чим краще вони забезпечуються нею. Гектар лісу випаровує від 20 до 50 т води за добу. Сумарне випаровування води рослинами та з поверхні ґрунту відіграє головну роль у колообігу води на суходолі. Водяний стік на суші поповнює її втрати внаслідок випаровування та просочування. Поверхневий стік і води підземних горизонтів забезпечують у кінцевому підсумку повернення води в гідросферу. Упродовж 2 млн років уся вода гідросфери зазнає фотолізу та повторного синтезу живими організмами.
Колообіг вуглецю
У колообігу вуглецю вирішальне значення відіграють СО і СО2 Це найінтенсивніший з усіх біогеохімічних циклів. Вуглець активно циркулює між неорганічним середовищем та живими організмами ланцюгами живлення. У природі він існує у вигляді карбонатів біогенного походження і переважно у вигляді оксиду карбону (IV) (викопні вуглеводні – нафта, вугілля та ін. не беруть участі в природному колообігу). Використовуючи вуглекислий газ, що міститься в атмосфері, автотрофні рослини суходолу здійснюють первинне продукування біомаси. За деякими оцінками її величина становить приблизно 164 млрд т сухої маси на рік. Існують два резервних фонди вуглецю: газоподібного в атмосфері та розчиненого у водах Світового океану. Кількість оксиду карбону (IV) в океані у 50 разів більша від загального його вмісту в атмосфері. В континентальних водах вміст карбонатної кислоти незначний.
Циркуляція вуглецю в біосфері здійснюється завдяки фотосинтезу і диханню. Процеси фотосинтезу та дихання можна подати такою схемою:
де hν – енергія фотона сонячного випромінювання з довжиною хвилі 0,65-0,70 мкм, що поглинається хлорофілом.
Живі організми (автотрофи й гетеротрофи) споживають енергію для здійснення хімічної та осмотичної, електричної (нервові клітини) та механічної (рух тварин) роботи, яка необхідна для їхнього росту, життєдіяльності та відтворення. Процес дихання є протилежним фотосинтезу, в результаті якого споживається кисень і виділяється вуглекислий газ. Цей процес характерний не тільки автотрофам і гетеротрофам. У кожній екосистемі органічна речовина споживається не тільки в ланцюгах живлення хижаків. Рослинні рештки, змертвілі рослини, виділення і трупи, що складають органічну субстанцію, в аеробних умовах окиснюються до повної мінералізації численними сапрофітами та ґрунтовими бактеріями. Розкладання органічних решток може відбуватися ще й шляхом ферментації в анаеробних умовах з виділенням вуглекислого газу.
Повний колообіг атмосферного вуглекислого газу відбувається дуже швидко. Його повне відновлення відбувається впродовж 300 років. Загальна маса вуглецю в біосфері становить 200 ∙ 1014 т і в тисячу разів перевищує кількість вуглецю, який циркулює між живими організмами, атмосферою, гідросферою та ґрунтами літосфери.
У ґрунті дуже часто вуглецевий цикл гальмується. Органічні речовини мінералізуються частково, трансформуючись у складний комплекс органічних кислот, які утворюють так званий гумус. Останній разом з глиною утворює вбирний комплекс ґрунту, який відіграє вирішальну роль у затриманні та циркуляції мінеральних солей – поживних речовин для рослин.
За будь-яких умов органічна речовина повністю не мінералізується аеробним шляхом і тому накопичується в осадових породах. У результаті відбувається блокування колообігу вуглецю. Величезні поклади вугілля, нафти та інших вуглеводневих копалин і вапняків у водному середовищі є результатом блокування циклу вуглецю в далекому минулому. Незважаючи на значні розміри запасів цих копалин, у масштабах біосфери вони надзвичайно малі. До недавнього часу (до появи сучасного промислово розвиненого суспільства) колообіг вуглецю в біосфері був бездоганним. Більша частина біомаси розкладалася під час дихання живих організмів. Виділюваний вуглекислий газ повністю компенсовував кількість вуглекислого газу, що поглинався з атмосфери в процесах фотосинтезу. Останнім часом, коли людина почала використовувати запаси викопних вуглеводнів, спостерігається збільшення вмісту вуглекислого газу в атмосфері.