Los ciclos de la materia, también llamados ciclos biogeoquímicos, son procesos que se repiten a lo largo del tiempo gracias a los cuales se transforman y renuevan ciertos materiales o elementos químicos. Estos procesos se desarrollan en la atmósfera, la geosfera, la hidrosfera y actúando en todos los anteriores la biosfera. Gracias a estos ciclos de la materia, entre otros factores, se produce el equilibrio ecológico en los ecosistemas y su sostenibilidad en el tiempo: cada átomo que compone un ser vivo ha pasado incontables veces por otros organismos, océanos y rocas antes de llegar a él. Dependiendo del material o elemento en cada caso, existe un ciclo del agua, un ciclo del carbono, un ciclo del nitrógeno, un ciclo del fósforo y un ciclo del oxígeno, entre otros.
El ciclo del agua es el más evidente a simple vista. La energía solar evapora el agua de los océanos, que concentran la inmensa mayoría del vapor de la atmósfera, así como la de suelos, lagos y el rocío que las plantas devuelven a la atmósfera mediante la transpiración. El vapor se condensa formando nubes y vuelve a la superficie como lluvia o nieve, tras lo cual una parte escurre por las cuencas fluviales hacia los océanos y otra se infiltra hasta rellenar acuíferos subterráneos, algunos de los cuales tardaron miles de años en llenarse.
El ciclo del carbono gira en torno a la fotosíntesis de plantas, algas y cianobacterias, que fijan el dióxido de carbono atmosférico incorporándolo a materia orgánica. Parte de esa materia regresa al aire por la respiración de los seres vivos y por la descomposición de la materia muerta por hongos y bacterias, y otra parte se acumula en sedimentos: es la materia orgánica de los yacimientos de petróleo y carbón que la actividad humana combustiona hoy, elevando el dióxido de carbono atmosférico a unos 420 partes por millón, cifra un 50 % superior a la de la era preindustrial. Los océanos actúan de amortiguador disolviendo grandes cantidades de carbono, un intercambio que también los acidifica.
El ciclo del nitrógeno es el más mediado por los seres vivos. Aunque el aire es un 78 % de nitrógeno, la mayoría de los organismos no pueden usarlo directamente: solo algunas bacterias lo fijan, entre ellas las que viven en simbiosis con las raíces de las leguminosas —frijoles, guisantes, alfalfa—, así como los rayos en las tormentas. Otros microorganismos convierten después ese nitrógeno en nitratos que absorben las plantas para fabricar proteínas; de ahí pasa a los animales que se alimentan de ellas y, al morir y descomponerse, a los desnitrificadores bacterianos que devuelven el gas a la atmósfera.
El ciclo del fósforo es el más lento de los cuatro y el único sin fase gaseosa: este elemento fluye casi por completo por vía sólida, desde las rocas ricas en fosfatos que la erosión desgasta, hasta los ríos que lo llevan a los océanos, donde es a menudo el nutriente que limita la producción de fitoplancton. Los grandes depósitos de guano del litoral de Perú y Chile —acumulados durante siglos por colonias de aves marinas— y su redistribución como abono son un ejemplo espectacular de cómo la vida moviliza este ciclo. El levantamiento geológico de los fondos marinos devuelve el fósforo a la tierra y cierra el circuito.
Comprender estos flujos es esencial para el estudio de la comunidad biológica y de los ecosistemas, pues el exceso de nutrientes —nitratos y fosfatos de los fertilizantes arrastrados a ríos y mares— provoca eutrofización, la proliferación descontrolada de algas que asfixia los ecosistemas acuáticos. Cada sustancia química que interviene en ellos enlaza la vida con la geología en circuitos cuya alteración tiene consecuencias planetarias, una de las razones por las que hoy ocupan un lugar central de la política del clima.