自然环境可分为四个圈层:生物圈、大气圈、水圈和岩石圈，总称生态圈，这是经过漫长的演化而形成的。各圈层之间有着复杂的物质交换和能量交换。碳、氢、氧、氮、磷是自然界中的主要元素，物质和能量的交换主要是通过这些元素及其组成的化合物的循环实现的。其中水、碳、氮三大循环在生命活动中起着重要的作用。
如图：
水循环
一切的生命活动都离不开水。水的循环是在太阳能和重力的驱动下，水的固、液、气三态的转化，并在气流和海流的推动下在生物圈的循环。水循环主要途径如下:江、海、湖、地表水和植物体内水分不断蒸发或通过蒸腾作用，以气态的形式进入大气;大气中的水汽遇冷，形成雨、雪、雹等降水返回地球表面，一部分直接进人水域中，一部分落到陆地上，形成地表径流，流人江、海、湖或渗入地下，供植物根吸收。
碳循环
碳是构成生物体的最基本元素之一，主要以有机碳和无机碳的形式储存在地球上，其中最大的两个碳库是化石燃料和岩石圈。
氮循环
氮是组成蛋白质的主要元素，主要存在于大气、生物体和矿物质中。氮循环主要途径如下:大气中的氮气通过生物固氮或工业固氮等作用转变为无机态氮化物;无机态氮化物被植物体吸收，合成各种蛋白质、核酸等有机氮化物;动物直接或间接以植物为食，从中摄取蛋白质;通过动物代谢，以及微生物分解动植物的尸体，氮的有机化合物被分解，主要以氨的形式进人土壤;土壤中的氨形成硝酸盐，一部分被植物所吸收，一部分通过反硝化细菌作用形成氮气返回大气。
