1.水循环
照射地球表面的太阳能除了很少一部分供植物光合作用的需要外，约有1/4用于蒸发水分，从而引起了生物圈中水的循环。水分不仅能从水面和陆地表层蒸发，而且也可通过植物叶面的蒸发作用而进入大气中。大气中的水遇冷则凝结成雨雪等降水，又落回地表。地球表面约70％为海洋，而且海洋水面蒸发的水比凝降返回的多，陆地上的情况恰恰相反。因此，陆地的水一部分流经河川重返海洋，一部分渗入土壤或松散的岩层中，除被植物部分吸收外，其余均成为地下水，最后也经缓慢移动流回海洋。水分虽然也会通过动物身体循环，但流量甚少。
一切物体中的有机物质大部分是由水组成的，地面水体又是人类从事生产和生活所不可缺少的，所以任何一个生态系统都离不开水；同时水循环为生态系统中物质和能量的交换提供了基础。此外，水还起调节气候、清洗大气和净化环境的作用。
2.碳循环
碳也是构成生物体的主要元素，它以二氧化碳的形式贮存于大气中。植物借光合作用吸收空气中的二氧化碳制成糖类等有机物质而释放出氧气，供动物呼吸作用。
同时，植物和动物又通过呼吸作用吸入氧气而放出二氧化碳重返空气中。此外，动物的遗体经微生物分解破坏，最后也氧化变成二氧化碳、水和其他无机盐类。矿物燃料如煤、石油、天然气等也是地质史上生物遗体所形成的，当它们被人类燃烧时，耗去空气中的氧而释放出二氧化碳。最后，空气中的二氧化碳有很大一部分为海水所吸收，逐渐转变为碳酸盐沉积海底，形成新岩石，或通过水生生物的贝壳和骨骼移到陆地。这些碳酸盐又从空气中吸收二氧化碳转变为碳酸氢盐而溶于水中，最后也归入海洋。其他如火山爆发和森林大火等自然现象也会使碳元素变成二氧化碳回到大气中。
由于工业的高速发展，人类大量耗用化石燃料，使空气中二氧化碳的浓度不断增加，对世界的气候发生影响，对人类造成危害。
3.氮循环
氮也是构成生物体有机物质的重要元素之一，而且它在环境问题中都有重要的作用。人类食物中缺乏蛋白质时会引起营养不良，使体力和智力均受到危害。氮制造的合成化学肥料，在施用时也可能引起水体污染。此外，氮在燃烧过程中被氧化成氮氧化物，能造成大气中光化学烟雾的严重污染。
大气中含有大量的氮（约占79％），但不能为植物或动物所直接利用。只有像茴蓿、大豆等豆科植物的根瘤菌这一类固氮细菌或某些蓝绿藻，才能将空气中的氮转变为硝酸盐固定下来。植物从土壤中吸取硝酸盐和铵盐等，并在体内制成各种氨基酸，然后再合成各种蛋白质。动物借食用植物取得氮，动植物死亡后，身体中的蛋白质被微生物分解成硝酸盐或铵盐返回土壤中，供植物吸收利用。土壤中一部分硝酸盐在反硝化细菌的作用下转变成分子氮回到大气中。化学肥料的生产和使用也能将空气中的氮变成铵盐而贮存于土壤中。火山喷发时也会有氮气进入大气。
4.磷循环
磷是维持生命所必需的另一重要元素。生物在新陈代谢过程中都需要磷。人类大量应用磷类洗涤剂和磷肥，使水体中磷养分过多，水生植物生长过盛，引起对环境的危害。
磷的主要来源是磷酸盐岩石以及鸟粪层和动物化石的天然磷酸盐矿床。磷酸盐岩石或矿床通过天然侵蚀或人工开采进入水体或食物链中，经短期循环后最终大部分流失在深海沉积层中，一直到经过地质上的活动才又提升上来。人工开采磷矿做化学肥料使用，最后大半也是冲刷到海洋中去，只有小部分通过浅海的鱼类和鸟类又返回到陆地。磷在生物圈中只有较小的部分进行生物地质化学循环，大部分是单方向流动，是一种不可更新的资源。因此，对磷矿资源的利用应予以慎重考虑。据美国1972年的资料，世界上现有磷储量估计可维持100年左右。
值得注意的是，物质流在食物链中有一个突出的特性，就是生物放大作用。当环境受到污染后，某些不能降解的重金属元素或其他有毒物质却会通过食物链逐级放大，在生物体内进行富集。例如，DDT等有机氯杀虫剂在食物链上的富集情况，就是明显的一例。DDT是一种难分解的脂溶性物质，当它进入生物体后，与脂肪结合，不易排出体外，并通过食物链富集。由于生物的富集作用，就大大增加了有毒物质对食物链中较高营养级的动物和人类的毒害作用，但同时，人类也可以利用生物富集作用，来降低或消除环境污染。
在生态系统中，能量流动和物质循环虽然具有性质上的差别，各自发挥自己的作用，然而它们之间是紧密结合、不可分割的整体。能量流动和物质循环是在生物取食过程中同时发生的，两者密切相关，相互伴随，难以分开。例如，食物是由有机分子构成，能量就贮存于分子的键内。
自然生态系统的信息传递
自然生态系统的信息传递在沟通生物群落与其生存环境之间、生物群落内各种生物种群之间的关系方面起着重要作用。
营养信息：在某种意义上，食物链和食物网可以代表一种信息传递。通过营养交换把信息从一个种群传递到另一个种群。
化学信息：在生态系统中，如维生素、生长素、性激素等均属于传递信息的化学物质。生物种内和种间的关系，有的相互吸引，有的相互排斥，有的相互制约，有的相互促进。
物理信息：鸟鸣、虫叫等可以传递安全、惊慌、恐吓、警告、求偶、觅食等各种信息。
行为信息：有些同种动物，两个个体相遇时常表现出有趣的行为方式。这种方式可能是识别、威吓、挑战或从属的信号，或者是配对的预兆等。这种信息表现在种内，但也可能为其他动物提供某种信息。
自然生态系统的生物和非生物成分之间，通过能量流动、物质循环和信息传递而联结，形成一个相互依赖、相互制约、环环紧扣、相生相克的网络状复杂关系的统一体。生物在能流、物流和信息流的各个环节上都起着深远的作用，无论哪个环节出了问题，都会发生连锁反应，致使能流、物流和信息流受阻或中断，破坏生态的稳定性。
异养生物
异养生物是相对于自养生物说的，植物一般都属于自养生物（猪笼草等除外），它们可以从自然界吸收无机物合成有机物，而异养生物指的是那些只能将外界环境中现成的有机物作为能量和碳的来源，将这些有机物摄入体内，转变成自身的组成物质，并且储存能量的生物。