מחזור ביוגאוכימי
מערכות במחזור הביוגיאוכימי

היסודות והמים שהוזכרו לעיל משמשים אורגניזמים למטרות שונות. מימן וחמצן נמצאים במים ובמולקולות אורגניות, שניהם חיוניים לחיים. פחמן נמצא בכל המולקולות האורגניות, ואילו חנקן הוא מרכיב חשוב של חומצות גרעין וחלבונים. זרחן משמש לייצור חומצות גרעין ופוספוליפידים המרכיבים את הממברנות הביולוגיות. גופרית היא קריטית לשמירת הצורה התלת־ממדית של החלבונים. המחזורים של היסודות הללו קשורים זה לזה. לדוגמה, תנועת המים היא קריטית לשטיפה של גופרית וזרחן לנהרות הזורמים אל האוקיינוסים. מינרלים עוברים במחזוריות בביוספרה, בין הרכיבים הביוטיים והאביוטים ומאורגניזם אחד למשנהו.
במערכות אקולוגיות רבות יש מחזורים ביוגאוכימיים רבים הפועלים כחלק מהמערכת, למשל מחזור המים, מחזור הפחמן ומחזור החנקן. כל האלמנטים הכימיים הקיימים ביצורים חיים הם חלק ממחזורים ביוגאוכימיים. נוסף על היותם חלק מאותם יצורים, האלמנטים הכימיים הללו נוצרים גם על ידי גורמים א-ביוטיים של מערכות אקולוגיות, כגון המים – הידרוספירה, קרקע – הליתוספירה או אוויר – האטמוספירה.
יחסים הדדיים מתקיימים בין בעלי החיים של כדור הארץ לבין הביוספרה. כל החומרים המזינים, פחמן, חנקן, חמצן, זרחן וגופרית שלוקחים חלק במערכות האקולוגיות של אורגניזמים חיים הם חלק ממערכת סגורה. חומרים אלה ממוחזרים ואינם הולכים לאיבוד, ולכן הם מתחדשים וכלים כל הזמן וחוזר חלילה במערכת סגורה.
לעומת זאת, זרימת האנרגיה במערכת האקולוגית היא מערכת פתוחה. השמש כל זמן פולט אנרגיה המגיעה לכדור הארץ בצורה של אור המנוצל על ידי מגוון אורגניזמים ובסופו של דבר אנרגיה זו משתחררת כאנרגיית חום לאורך כל הרמות האנטרופיות של שרשרת המזון. פחמן משמש לייצור פחמימות, שומנים וחלבונים שהם המקורות העיקריים של האנרגיה המופקת ממזון וגם חומרי גרעין DNA ו-RNA. תרכובות אלה מתחמצנות ומשחררות דו־תחמוצת הפחמן, אשר נילכד על ידי צמחים ומשמש לבניית תרכובות אורגניות. התגובה הכימית של קשירת הפחמן הדו-חמצני מופעלת על ידי אנרגיית אור השמש. המערכת אקולוגית מסוגלת להשיג אנרגיה גם ללא אור שמש בתהליכים של כמוטרופיה. מערכות אקולוגיות במעמקי הים, שבו אור השמש אינו יכול לחדור מסוגלות להשתמש בגופרית. מימן גופרתי ליד פתחים הידרותרמיים המנוצלים על ידי אורגניזמים למחזור הגופרית. גופרית יכולה להיות ממוחזרת באופן תמידי כמקור אנרגיה ללא נוכחות קרני השמש. אנרגיה ניתן לשחרר באמצעות חמצון אניון הסולפיט SO-3 ולאחר מכן לאניון הסולפטSO-4.
אף על פי שכדור הארץ כל הזמן מקבל אנרגיה מן השמש, ההרכב הכימי שלו קבוע. מעט חומר נוסף מדי פעם על ידי מטאוריטים. כל התהליכים התלויים בנוכחותם של כימיקלים חייבים להיות ממוחזרים. מחזורים אלה כוללים הן את הביוספרה החיה והן את הליטוספירה, האטמוספירה וההידרוספרה.
בטבע מתקיימים מחזורים ביו-גיאוכימיים עבור יסודות רבים אחרים: חמצן, מימן, זרחן, סידן ברזל, גופרית, כספית וסלניום. ישנם גם מחזורים למולקולות סיליקטים, וישנם מחזורים מאקרוסקופיים כגון מחזור הסלע, ומחזורים המושרים על ידי אדם עבור תרכובות סינתטיות כגון ביפנילים פולי-כלוריים (PCBs) בתהליכים של פירוק ביולוגי מיקרוביאלי. בחלק מהמחזורים ישנם מאגרים גאולוגיים שבהם חומרים יכולים להישאר או להתפרק למשך פרקי זמן ארוכים.
ישנם מחזורים ביו גיוכימיים רבים הנמצאים כעת במחקר בפעם הראשונה, בעקבות שינויי אקלים והשפעות אנושיות המשנים באופן משמעותי את המהירות, העוצמה והאיזון של המחזורים הבלתי ידועים יחסית, כגון, מחזור כספית ואטרזין (Atrazine), שעשוי להשפיע על מינים מסוימים של בעלי חיים וצמחים.
החלקים העיקריים של הביוספרה מחוברים אלה לאלה על ידי תזרים שוטף של יסודות ותרכובות כימיות במחזורים ביו-גיאוכימיים. ברבים מהמחזורים הללו, הביוטה ממלאת תפקיד חשוב. בנוסף, חומר ממעמקי כדור הארץ משתחרר על ידי הרי געש. האטמוספירה מחליפה כמה תרכובות ויסודות במהירות עם הביוטה והאוקיינוסים. חילופי חומרים בין סלעים, קרקעות ואוקיינוסים הם בדרך כלל איטיים יותר.