Węgiel
Węgiel jest podstawowym materiałem budowlanym całego życia, dzięki jego niezrównanej zdolności do dostarczania skomplikowanych struktur molekularnych przy formowaniu bardzo różnych związków chemicznych. Ta własność węgla jest tak wyjątkowa i ważna, że wielu biologów sądzi (pomimo fantastyki naukowej), że nie ma innego znanego pierwiastka, na którym mogłoby bazować życie: brak węgla oznacza brak życia. Prawie wszystkie związki organiczne zawierają jeden lub więcej atomów węgla. W środowiskach wodnych węgiel występuje pod wieloma postaciami.
Naturalne źródła mineralne, takie jak węgiel kamienny, przyczyniają się do obecności węgla w oceanach jako rozpuszczające się w wodzie osady. Rozpuszczony węgiel organiczny pochodzi z wydalin organizmów żywych i z rozkładu szczątków organicznych. Jest on następnie transportowany przez globalne prądy morskie. Większość węgla organicznego, który znajdzie się w głębinach morza jest rozkładany przez bakterie na formy nieorganiczne. Tworzy to „biologiczną pompę”, która koncentruje węgiel i inne składniki odżywcze na dużych głębokościach; gra ona główną rolę w globalnym cyklu węglowym. „Pompa” ta przenosi węgiel z atmosfery do głębi morza, gdzie węgiel się koncentruje i pozostaje przez wiele wieków. Naukowcy sądzą, że proces ten w 75 procentach odpowiada za różnicę koncentracji rozpuszczonego nieorganicznego węgla pomiędzy powierzchnią a głębinami.
Związki węgla znajdują się w wodzie i w powietrzu oraz w skałach i minerałach. W powietrzu węgiel jest obecny jako dwutlenek węgla, który jest ubocznym produktem oddychania. Aktywność wulkaniczna i pożary, zwłaszcza pożary lasu, również wprowadzają do atmosfery dwutlenek węgla. Ludzie dodatkowo zwiększają ilość dwutlenku węgla w atmosferze poprzez spalanie paliw kopalnianych. Paliwa kopalniane zawierają dwutlenek węgla, ponieważ absorbują go rośliny i zwierzęta. Kiedy organizm ginie, dwutlenek węgla jest zakopywany wraz z nim i zostaje razem z nim przekształcony w paliwo kopalniane. Spalanie tych paliw uwalnia dwutlenek węgla w atmosferę. Przed rewolucją industrialną koncentracja dwutlenku węgla w powietrzu była oceniana na 280 ppm (cząsteczek na milion - ang. parts per milion). Współcześnie wynosi ona około 365 ppm i gwałtownie rośnie. Dwutlenek węgla jest gazem cieplarnianym i wielu naukowców sądzi, że jest on głównym winowajcą wzrostu temperatur obserwowanych na całym globie, czyli globalnego ocieplenia.
Dwutlenek węgla musi być zmieniony w inne związki węgla, jeżeli ma być przyswojony przez heterotrofy (organizmy cudzożywne takie jak my, które uzyskują niezbędną dla życia energię chemiczną przez trawienie materii roślinnej i zwierzęcej). W środowiskach lądowych i morskich, rośliny, prokarioty, glony i inne autotrofy (organizmy, które wytwarzają energię chemiczną ze związków nieorganicznych i zewnętrznych źródeł energii) w procesie fotosyntezy przetwarzają za pomocą chlorofilu dwutlenek węgla w węglowodany. Fotosynteza przetwarza za pomocą światła nieorganiczny węgiel z dwutlenku węgla w węglowodany, organiczne związki o wysokiej energii chemicznej. Fotosynteza przywraca biosferze węgiel z dwutlenku węgla, konwertując go w bardziej skomplikowane związki chemiczne. Przez ten proces energia słoneczna pośrednio lub bezpośrednio zasila prawie całe życie na Ziemi. Życie, jakie znamy, nie istniałoby bez fotosyntezy. Transfer węgla pomiędzy biosferą i światem nieożywionym jest nazywany cyklem węglowym.
