一、水循环
地球上的天然水约1.4×1021kg，并具有和地球几乎相同的年龄（约46亿年）。这么多的水又这样长久存在而不消散，这和水的性质、大气的化学组成，地球的质量及地球在太阳系中的位置（和太阳间距离适中）等因素相关。
在地球表面，海水约占97％，冰川水约2％，淡水略小于1％，而大气中水分远小于1％。
水在地球表层的循环，其驱动力是太阳能。组成循环的主要过程有蒸发、蒸腾、降雨与径流，多数属于相变过程。地球表面水经吸收太阳辐射热而蒸发，进入大气的水中有83％来自海洋，但通过雨雪而返回海洋的水量仅为70％左右；陆地水的情况正好和海水相反，也就是说，有一部分海水是通过河川归流入海而得到补足的。在河川水归海的过程中还有一部分渗入土壤或岩层，为植物吸收或转入地下水，缓慢流动后才归流海洋。
生物圈含水总量少得几乎不能和其他圈层相比，但构成生物体的主要成分还是水。例如活细胞中含水分约60％～90％，其他生物体含水量大约是：脊椎动物为66％、哺乳动物平均为85％、木材为60％、干的种子为10％。氧、碳、氢依次是生物圈中丰度最大的三元素，且氧与氢的比例接近于水中该两元素之比。如此看来，生物体中含有如此多量的水是可以理解的了。
水在生物圈内的循环，在许多方面具有重大意义。首先，一切有机体内含有大量水分，没有水就不可能有生命。还可以认为，地球表层是由太阳与大海造就的一个超级规模的蒸馏水制造装置，由此制得了淡水，供大多数生物需用。生命有机体中水的主要功能是作为输送与流通体内物质（如食物、氧气、排泄物）的溶剂。此外，水有很大热容值，能帮助高等动物身体保持平均体温。水还是参与光合作用与呼吸作用的重要物质。
流动于大气中的水分有调节气温的巨大能力。大气中一般含1％～3％（体积）水蒸气，这部分水分子能强烈吸收红外线，由此影响地球热平衡；大气中水分形成云层后还有反射太阳光而降温的作用；到了晚间，覆盖在地球表层的水蒸气又起了“被褥”的作用，使地面在白天所吸收到的热量不致于大量散发到空间中去。
由于水具有溶解许多物质及具有流动的特性，因此通过其本身循环能载带与推动其他物质循环。岩石中的很多组分受水体侵蚀后随水流归入大海是最显而易见的例子；再如，海水中所溶解的盐分能以喷沫形式转入大气，从而使近海地区降雨中含有相当数量盐分也是一例。
二、碳循环
1.碳在自然环境中的循环
碳在地球各圈层中的浓度如下：
地球整体：350mg/kg
地壳：200mg/kg
海洋：无机碳为28mg/kg；有机碳为2mg/kg大气：CO2为3.60×10-4（mg/kg）；甲烷为1.7×10-6（mg/kg）
环境中碳（特别是含碳有机物）的存在形态十分多歧，这和碳元素的如下性质有关：①碳元素具有四个共价性较强的价键，可通过各种各样的结合方式联结大量基团；②C—C键具有很大强度，可形成十分长的长链结构；③碳原子有形成双键与多重键的能力，更加增大了生成多种有机分子的可能性。
地球上的碳主要集中在岩石之中，石灰岩中的碳（约占岩石层中总碳的3/4）主要以石灰石（CaCO3）与白云石（CaCO3·MgCO3）形态存在；沉积性页岩中的碳（约占岩石层中总碳的1/4）主要以分散性有机物形态存在。散布在其他圈层（水体、大气、陆生生物、土壤腐植质、化石燃料、海生生物等）中的碳大约只占地球上总碳的0.1％。
大气中碳的主要存在形态有二氧化碳、一氧化碳、甲烷等。在地球形成初期，作为大气组分之一的甲烷，随同氢、氨与水蒸气，通过发生在大气中的辐射或放电作用，导致了氨基酸等生命原始物质的形成。二氧化碳则逐渐被海水吸收，并以碳酸钙形式沉积海底，达成了现今二氧化碳在大气-海水-沉积物之间的平衡状态。
天然水系中碳的主要存在形态有构成平衡碳酸系统的各种组分：水合二氧化碳、碳酸、碳酸氢根离子、碳酸根离子。在水质测定中，这些形态的浓度之和组成了水样的总无机碳（TIC）参数。存在于水体中的有机碳组分可划分为溶解性有机碳（DOC）与颗粒有机碳（POC）两类。一般以含碳组分能否通过0.45μm滤膜作为区分此二者的判据。水体中DOC来源主要是浮游生物排泄物中可溶成分与生物尸体细胞经过胞溶作用产生的溶出物。水中DOC可进一步作为异养微生物的营养物料，在海水中还有部分可转化为高分子腐植质。严格说来，在作水样中总有机碳（TOC）项目测定前，应先过滤除去POC组分，随之测得的结果实际上就是DOC。构成水样POC的有难分解与易分解的两部分。前者为生物尸体的骨骼碎屑，后者如生物粪便物等为是。
碳是组成生物体的主要元素，所以碳循环，特别是二氧化碳的循环对生物体有极大意义。环境中二氧化碳的行为至少和下列一些环境过程有着密切的关联：①大气与海洋的起源与演化；②地球表层岩石的形成与变异；③生命诞生；④地球表层热量的收支状况；⑤水体中碳酸平衡；⑥绿色植物等自养者的光合作用与生产力；⑦有机物氧化，包括呼吸作用，燃料燃烧、机体腐烂分解等。对这些过程中于当今环境有现实意义者，将在以后相关章节详加阐述。
2.生物体中的含碳有机化合物
前已述及，原生质是所有细胞的组成成分，也列举了原生质的化学元素组成。
以上所列举的各种化合物在细胞中的含量不同。一般情况下，这些化合物占细胞鲜重的比例是：水大约占60％～90％，无机盐约1％～1.5％、蛋白质7％～10％、脂类1％～2％，碳水化合物与其他有机物1％～1.5％。这些化合物在细胞中存在的形式与所具有的功能也各不相同。
构成生物体的有机分子实际上是通过小分子缩合反应交联而成的。在大量小分子存在下，就有可能合成诸如淀粉、纤维素、蛋白质、核酸等大分子物质。与此相反的过程是水解，即在水与催化剂存在条件下，这些大分子裂解成为各种小分子的过程。
现将生物体中几种主要的含碳有机化合物分述如下。
（1）碳水化合物
这里所说的碳水化合物即糖类，可用Cx（H2O）y表示这类化合物的分子通式。糖类可分为单糖、二糖与多糖三大类。从化学结构看，碳水化合物是多羟基醛或多羟基酮，或者是通过水解能生成多羟基醛（或酮）的化合物。多羟基醛又称醛糖，多羟基酮又称酮糖，糖类广泛地分布在动植物的体内。
单糖一般是能溶于水的无色结晶，是一类不能进一步水解成更简单的多羟基醛（或酮）的碳水化合物。按照其分子中含碳原子的数目又可分为三碳糖、四碳糖、五碳糖、六碳糖与七碳糖。在动植物的细胞中，最重要的单糖是五碳糖与六碳糖。核糖与脱氧核糖是五碳糖，它们都是组成核酸的必要物质。葡萄糖与果糖是六碳糖，它们的分子式是C6H12O6。葡萄糖是植物光合作用的产物，也是机体内的重要能量物质。
二糖一般也是易溶于水的晶体。在植物细胞中最重要的二糖是蔗糖与麦芽糖；在动物细胞中最重要的二糖是乳糖。
多糖在植物细胞里，最重要的多糖是淀粉、纤维素与半纤维素，动物细胞中最重要的多糖是糖元。淀粉的分子量范围在2万～100万，是植物细胞中储藏能量的物质，在各类粮食中富含淀粉。纤维素是地球上最丰富的一种有机化合物，分子量范围在30万～50万。植物的细胞壁几乎全部由纤维素构成，借以支撑植物本体。由于它具有复杂的分子结构与不可溶解的性质，所以不能直接作为生物的食料。半纤维素的基本组成单元有六碳糖与五碳糖，大多数天然木材中除含纤维素外，还含相当多半纤维素。糖元的分子量更大于淀粉，有更多支链，它在肝脏与肌肉中含量较多，是动物细胞中储能物质。
二糖与多糖的最重要的相关性质是它们能通过生物酶作用水解为单糖。所有二糖与多糖都能水解产生葡萄糖。
（2）脂类
对脂类难以下一个确切的定义，简单说来，它们是动植物组织中能溶解于低极性溶剂（氯仿、四氯化碳、乙醚、苯等）的组分。在很多脂类物质中，除碳、氢、氧三种元素外，还含氮、磷等元素。脂类主要包括脂肪、类脂与固醇。
脂肪是生物体内储能物质。动物与人体内脂肪还有减少身体热量散失、保持体温的作用。脂肪在室温下呈固态，纯脂肪是无色、无嗅、无味的物质，大多是丙三醇与脂肪酸相结合的酯类物质。
类脂包括磷脂与糖脂。磷脂由甘油、脂肪酸、磷酸与一种含氮化合物总合衍生而成，是组成生物膜（细胞膜、内质网膜、线粒体膜等）的主要成分。糖脂的组成和磷脂相似，它是动物细胞膜重要成分。
固醇主要包括胆固醇、性激素、肾上腺皮质激素与维生素D等，这些物质对于生物体保持正常的新陈代谢起着积极的作用。
脂类的重要化学性质有水解作用与加成作用。由于这类化合物分子中多含有不饱和双键，所以在水溶液中可能发生卤素加成作用。但因脂类大多难溶于水，所以在一般化学反应条件下，加成反应的速度很慢。
（3）蛋白质
蛋白质存在于所有机体之中，在细胞中的含量仅次于水，约占细胞干重的50％以上。蛋白质的种类多、结构复杂，但每种蛋白质都含有碳、氢、氧、氮四种元素，许多蛋白质还常常含有少量的硫，有的还含有磷、铁等元素。蛋白质的元素百分组成如下：C（51％～55％），H（6.5％～7.3％），O（20％～24％），N（15％～18％），S（0.0％～2.5％），P（0.0％～1.0％）。
蛋白质由几千甚至几十万个原子构成，分子量从几万一直到几百万以上。氨基酸是蛋白质的基本组成单位，约有20多种。实际上，每个蛋白质分子就是由不同种类的、上百成千的氨基酸按照一定的排列次序连接而成的长链高分子化合物。每种氨基酸分子至少都含有一个氨基与一个羧基，当形成蛋白质分子时，一个氨基酸分子的羧基与另一个氨基酸分子的氨基相连接，发生缩合作用而脱去一个水分子，从而形成了联结两个小分子的肽键。由甘氨酸与半胱氨酸通过肽键联结生成高分子蛋白质的过程如下所示。
NHHCHHCOOH＋NHHCHCHSHHCOOH
二肽
蛋白质分子结构的多样性，决定了蛋白质分子具有多种重要功能。作为结构材料，由蛋白质分子构成许多非骨骼性的机体物质（肌肉、皮肤、毛发等）；作为催化剂，蛋白质分子可起生物酶的作用；作为激素，能在生物体内起调节代谢过程的作用；作为抗生物质，又能抵御外来有毒物质与病菌的侵入。
（4）酶与辅酶
酶是存在于活细胞中的，分子中含有金属原子（锌、镁、锰、铁、钼、铜之类）且分子量可达10000～50000的蛋白质或其衍生物。酶在活细胞中通过和基质形成不稳定中间化合物来降低系统活化能，所以是一类能加速代谢反应的生物催化剂。这种催化作用具有效率高、速度快、专一性强等特点，往往在一个细胞中可能同时发生由不同酶控制的数千种催化反应。
首先，酶在其活性部位和基质相结合，生成ES复合物。复合物可进一步分解，得到新产物P与复原的E。ES也可能反向分解，回复为E与S。在以上各个过程中，酶的化学结构始终都不变，表现出它的催化剂本性。
控制酶反应速度的因素有基质浓度、温度、pH值与离子强度等。在有作为抑制剂的毒物存在的情况下，可能使酶失去活性。
温度也是影响生物化学反应的重要因素。一般说来，在限定的温度范围内，温度每升高10℃，反应速率约增加2～4倍。即两者关系遵循范特霍夫经验规则。影响速率另一重要因素是pH值。有些酶在低pH值能发挥最大效能，而另一些酶则需要高pH值，但大多数酶在中性溶液中最有效。此外，某一种酶能起有效作用的pH范围是十分狭窄的。
酶的分子一般是由单独存在时不具有活性的两部分所组成：①不耐热的蛋白质部分，称为载体或酶蛋白；②称为辅酶的非蛋白质部分。辅酶具有较小分子量，热稳定性与膜透过性。酶与辅酶只有同时存在、同时作用时，才能体现催化活性。
酶的种类十分繁多，但按作用部位可将酶分为外酶与内酶两类，它们分别在细胞外与细胞内起作用。按作用特性，又可粗分为能催化水解反应的水解酶与非水解性的碳链裂解酶（或呼吸酶）两大类。一般说来前者属于外酶而后者属于内酶。
已知的辅酶约有12种，其中最主要的是以下几种：NAD烟酰胺腺嘌呤二核甙酸的略名，以前称二磷酸吡啶核甙酸（DPN），也称辅酶Ⅰ。它是一种载氢体，常和脱氢酶、还原酶、过氧化物酶配合反应。NADH是它的还原形态，二者间通过氢传递过程而发生转化的反应如下：NADP烟酰胺腺嘌呤二核甙酸磷酸的略名，以前称三磷酸吡啶核甙酸（TPN），也称辅酶Ⅱ。它的结构与功能和NAD相似，只是在分子上含有三个磷原子而不是两个。还原形态是NADpH。
辅酶A这是一种泛酸（B族维生素的一种）的衍生物，简写为CoA或CoASH。在脂肪酸的代谢与合成中，它能作为乙酰基载体参与三羧酸循环过程。
黄素蛋白包括黄素单核甙酸（FMN）与黄素腺嘌呤二核甙酸（FAD），它们在将代谢物中的氢（或电子）传递给氧的过程中起着重要作用。
辅酶M与辅酶F420 属甲烷菌专有。在甲烷发酵过程中，两者分别起甲基载体与电子载体的作用。
（5）核酸
核酸最初是从细胞核中提取出来的，呈酸性，由此而得名。核酸由C、H、O、N、P等元素组成，是细胞中的另一类高分子化合物，分子量可达十万至几百万。核酸的基本组成单位是核苷酸。一个核苷酸分子由一分子含氮的芳香族碱基，一分子五碳糖与几分子磷酸所组成。每个核酸分子是由几百个到几千个核苷酸互相连接而成的长链分子。
三磷酸腺苷（ATP）与二磷酸腺苷（ADP）构成了细胞中主要的能量转移系统，它们都是核苷酸单体。通过水解，ATP脱去一个磷酸分子就形成ADP，同时放出能量。
相反的过程是ADP获得能量发生磷酸化反应，即和磷酸基结合成ATP。所得到的能量就以ATP形式贮存起来。
核酸可分为两大类：一类是含脱氧核糖的称为脱氧核糖核酸，简称DNA；另一类是含核糖的，称为核糖核酸，简称RNA。DNA主要存在于细胞核内，是细胞中的遗传物质。此外，在线粒体与叶绿体中，也含少量DNA。RNA主要存在于细胞质中。核酸对生物体的遗传性、变异性及蛋白质的生物合成具有极其重要的作用。
