Основными метаболическими процессами па уровне биосферы являются биогеохимические циклы основных биогенных веществ – углерода (С), кислорода (О2), воды (Н20), серы (S), азота (N2), других элементов и веществ.

Круговорот воды

Вода - основа жизни на Земле, универсальный растворитель, среды, в которой

протекают биохимические реакции.

Вода испаряется с поверхности Мирового океана и органов растений и образует облака. В атмосфере вода конденсируется под действием более низких температур и

выпадает на Землю в виде осадков - дождя, росы, снега. С током рек и ручьев выпавшие осадки возвращаются в Мировой океан, часть их поглощается растениями и животными. Этот цикл повторяется в природе вновь и. вновь.

Круговорот углерода и кислорода

Все организмы по принципу их питания можно разделить на автотрофные (в частности, фотосинтетики), синтезирующие органические вещества из углекислого газа и воды за счет энергии солнечного света, и гетеротрофные, использующие для питания готовые органические вещества. В результате процессов жизнедеятельности, смерти и разложения живых организмов на Земле совершается биогеохимический цикл углерода и кислорода - их круговорот.

Так под действием солнечной энергии фотосинтезирующие организмы преобразуют углекислый газ и воду в органическое вещество - глюкозу - и выделяют в качестве побочного продукта реакций фотосинтеза кислород. В процессе дыхания живые организмы поглощают кислород и выделяют углекислый газ.

При гибели и разложении в присутствии кислорода органические составляющие организмов окисляются до углекислого газа и воды. Таким образом, при дыхании и расщеплении органических молекул в процессе метаболизма живые организмы выделяют углекислый газ и волу, которые впоследствии, н результате фотосинтеза, вновь преобразуются в органическое вещество и кислород.

Круговорот азота

В природе азот в основном существует в свободной молекулярной форме в виде химически малоактивного газа азота N2. Живые организмы способны усваивать только связанный азот в форме нитрат-иона NO3 или иона аммония NН4. Поэтому азот является основным лимитирующим фактором среди элементов, необходимых для живых систем. Способностью связывать свободный азот обладают некоторые виды бактерий. Этот процесс называется азотфиксацией. Азотфиксирующие бактерии обитают в клубеньках бобовых растений

(горох, фасоль и др.) и преобразуют свободный азот N2 в ион аммония ЫН, который

используется для построения молекул аминокислот, белков и нуклеотидов.

Большинство же растений, не способных к фиксации азота, получают его из почвы в виде нитрат иона NO3 и ассимилируют его, превращая в ион аммония.

Гетеротрофные организмы поглощают азот в виде иона аммония NН4 при поедании биомассы других организмов. После смерти тела живых организмов разлагаются бактериями и грибами в присутствии кислорода, а соединения азота, окисляются по схеме:  NН. + O2 >NO3 + Н20. Таким же образом может происходить окисление аммиака нитрифицирующими бактериями (нитрификация), получающими энергию за счет окисления неорганических веществ, т. е. использующими хемотрофный путь питания.

Обратный процесс - превращение связанного азота в инертный - называется денитрификацией. Он происходит в бескислородных условиях под действием денитрифицирующих бактерий, вместо кислорода в качестве окислителя использующих нитрат-ион (NО3 ): С + NО 3 -+ `СО2 = N3. Таким образом, замыкается круговорот азота. В результате запасы этого важнейшего биогенного элемента в живых системах не истощаются.

Круговорот серы

Необходимым компонентом большинства белков является сера. В природе сера чаще всего встречается в виде соединений сульфат - иона (SO4) – больше всего в виде гипса (CaSO4), пирита (FeS2) и самородной среды. Растения способны усваивать серу в виде сульфатов, животные могут удовлетворить свои потребности в сере за счет других организмов.

В целом цикл серы можно представить следующим образом. Растения поглощают из почвы сульфат-ион SO4, используют его в построении собственных аминокислот и белков. Животные, поедая растения и других животных, также получают серу и используют ее  в процессах пластического обмена. Умирая, животные и растения разлагаются в присутствии кислорода, и вновь образуется сульфат-ион SO4.

Таким образом, метаболические процессы в биосфере связаны со сложными пищевыми взаимоотношениями между организмами. Основным биологическим смыслом круговорота веществ в природе является поддержание их необходимого количества в живых системах.