在光合作用过程中，平均每1个磷原子需要16个氮原子和106个碳原子来构成有机物，同时释放出276个氧原子。而当浮游生物死后这个过程就向逆方向进行，溶解在海水中的氧气将有机物氧化，释放出二氧化碳、硝酸、磷酸等。
这些元素间的关系体现在海洋中微量营养素的分布上。这个值称为“莱德菲尔比”。如果这一平衡被破坏，浮游植物的生长繁殖将受到阻碍。
在氮、磷之外还有许多元素是必不可少的。比如对于硅藻和放散虫等硅酸质壳动物，硅元素的稀缺会阻碍其生长发育。
近期的研究还表明，铁和亚铅等微量重金属也是必不可少的，如果缺少则会影响浮游植物的增殖。
海洋包含的“铁”
美国加利福尼亚州莫斯·兰丁实验所的约翰·马丁是位海水微量元素分析专家，他在如何采集样本和分析方法方面都有贡献，并彻底查明了钴、锰、银、铅等元素的分布，并且最终成功地分析了铁元素。
铁元素在地壳中约占5％，但是由于海水的“净化”作用，在海水中的浓度极其小。
采取海水样本时必须驾船出海，而船是钢铁制成的，难免到处是铁锈，固定采水器的缆绳也是钢铁的，必须十分注意由这些产生的杂质。
1988年，马丁终于证明，铁的分布为营养盐型，表层较少，随着海水的增加而增加。
海中铁含量最早对铁元素的测定是在阿拉斯加湾进行的，结果表明在海水表层由于生物活动导致稀缺的氮、磷等元素的浓度仍然较高，但是铁元素的浓度却极低。
是不是根据利比希最小律，由于铁的缺乏而妨碍了浮游生物的繁殖，导致大量的磷和硝酸剩余呢？
铁是继氮、磷、钾之后又一种必需的营养素，是合成与光合作用紧密相关的细胞色素酶的必要元素。由于陆地的土中含有大量的铁，所以从没有缺少的情况发生。
但是海水的情况就不同了。由于铁在海水中迅速被氧化成三氧化二铁而产生沉淀，所以必须注意铁元素不足的情况。
马丁运用他多年来研究海洋微量元素的经验采集到无杂质的海水样本，并对有铁和无铁情况下浮游植物的繁殖速度进行了比较。结果表明，有铁情况下的繁殖速度要快得多。
不同海域浮游植物铁元素对比实验证明，生物按照莱德菲尔比顺利生长繁殖的必要条件是对于1个单位的磷要有1／200单位的铁存在。
南极海和赤道附近海域的表层海水的营养素非常丰富。如果人为地向海水中增加铁元素，会不会加速这些海域的生物生育？
据估算，要令南极海表层的氮和磷全部被有效地利用，大约需要30万吨的铁，而这仅仅是大型油轮用铁量的一半。
马丁想到：“如果适当地将大气中的多余的二氧化碳经浮游植物转化成有机物积蓄在海洋中，就可以降低大气中的二氧化碳的浓度，防止温室效应影响地球。”
马丁的这一设想的有效性和对生物圈的影响在全球都引起了广泛的争议。
多数专家学者认为这个方法不大可能成为解决地球温暖化的救世主。现在这个方法正在进行小规模海上试验，并在研究它的波及效应。
海雪
让我们想象乘坐潜水艇潜入海底的过程。随着深度的增加，光亮开始减弱，渐渐变成一个深蓝色的世界，最后四周一片漆黑。
坐在艇内向窗外望去，偶尔会有亮点一闪而过——是发光生物们。
打开探照灯，窗外竟然漂着雪花一样的物质。当潜水艇下降时雪花自下而上运动，当潜水艇上升时雪花自上而下运动，如下雪一样。这就是“海雪”。
雪花各式各样，大多如鹅毛大雪，一块块凝结在一起，似乎一触即化。这些物质有的是浮游生物的尸骸被鱼类吞食后排出的粪便，这些物质再被分解，就变得面目全非；有的是陆地上随流而来的矿物颗粒球。
海雪给深海带来季节变化这种海雪漂荡在海水中，承担着将海水表层生产的物质搬运到深海的重要任务。同时它也影响着海洋微量元素的分布。
浮游生物的残骸在中、深层海被氧化分解，按照莱德菲尔比产生氮、磷、碳等元素。因此中、深层的海水的营养素比表层丰富。
不仅是海水中的营养素受海雪的影响，其他多种微量重金属也受海雪的影响而变化。
海雪中除了有机物，大部分是硅藻等的硅酸盐外壳或者圆石藻和有孔虫的碳酸盐外壳。这两种成分的比例随海域和深度的不同而不同。而那些同生物无关的物质主要是来自陆地的土壤粒子和海水中的沉淀物。
那些同生物生长密切相关的颗粒的沉降量随表层海面中生物生产力的高低不同而差异明显。海雪的化学成分也随海域和季节的不同而变化。
北太平洋和南极海的海雪中硅藻偏多，而北大西洋的海雪中石灰质的圆石藻偏多。有机物的比例一般随深度的增加而减小，有的在中途就发生分解。
尽管如此，到达海底的海雪中仍然含有许多新鲜的有机物，是深海生物高营养的食物。另外，海雪的沉降量随表层生物的生产季节而变化，从而也使得海底生物可以感觉到季节的变化。
海洋和大气的气体交换
动物的呼吸作用就是吸入氧气，排出二氧化碳的代谢活动。吸入的氧气用于分解有机物以产生能量。如果把呼吸看成这么一种化学反应，那么，中深层的海水里的生物，像鲸鱼，一样也会呼吸。
在第三章就解释过，格陵兰海和南极附近的海洋表层水在冬季冷却后密度会变大，导致下沉。这时1千克的海水通过大气的气体变换大约含7毫升的气体（水温越低可以溶解的氧气越多）。
这就像鲸鱼刚刚吸足空气准备下潜时的状态。当氧气在有机物的分解过程中渐渐被消耗时，作为分解反应的产物，二氧化碳的浓度开始升高。
鲸鱼这时分解的是磷虾等食物带来的有机物。海水氧化的则是从表层落下的海雪。总之，沉下的时间越长氧气就越缺乏，而二氧化碳的含量则在不断增加。
然后沉下的海水再次涌上海面和大气接触，将过剩的二氧化碳排出，再吸进缺少的氧气，就像鲸鱼的呼吸作用一样。
这种同生物活动和海洋循环同时进行的海洋同大气的气体交换对大气中的氧气和二氧化碳的浓度影响很大。大气中的二氧化碳只占0.035％，比氮气和氧气少得多，所以受海洋的影响很明显。
海洋表层生产的有机物的一部分作为海雪沉入海底，在海底被分解放出二氧化碳的过程以及碳酸盐甲壳溶解后形成钙离子和碳酸根离子的过程就像深海中的香槟工厂一样。
现代将这一过程称为“生物泵”。由于这个过程的作用，大海中的二氧化碳含量约为大气中的2倍。海水的循环和气体的交换在对封闭在格陵兰和南极海冰床中的气泡（古代的气体）进行分析后发现，12，000～24，000年前的冰河时期的大气中的二氧化碳浓度只有现在的2／3。冰河时期陆地上的植物比现在少，减少的部分应该全部被海洋吸收了。
可能当时的海洋循环和物质循环与现在不同，当时的海洋中深层的二氧化碳含量可能比现在更高。
假设浮游植物全部消亡，那样将会如何？储藏在海洋中的二氧化碳将随着海水的循环排到大气中，大气中的二氧化碳会升高。
那么，如果海洋的循环停止后又会怎样？海洋深层的营养素不再循环到海洋表层，浮游植物数量会显著减少。
这样光合作用生产的有机物也会减少，结果导致空气中二氧化碳含量增加。地球上由于过度燃烧各种化石燃料导致二氧化碳含量增大，引发温室效应。在解决这个问题上海洋起了重大作用。
化学追踪
我们明显地感到黑潮、亲潮等表层海流的流动，但却不知道海洋深层的水也在流动。
事实上海洋很广阔，海水的流动有时形成旋涡，又随时发生变化，很难用简单的物理方法将其用平均循环图的形式表述。
比较经典的方法是根据密度大的海水将下沉，从而导致含氧量降低，而随着有机物的分解硝酸离子和磷酸根离子等营养素的浓度会增加这一原理来推测海水的流况。一般海水向氧气含量减少的方向流动，或者说向营养素浓度高的方向流动。
根据这个原理我们可以发现大西洋、南极海、印度洋、太平洋的深层水年龄依次增加。
根据这种化学成分的分布情况同地球的流体理论的结合，麻省理工学院的H.斯顿梅尔和哥伦比亚大学的W.S.布洛卡画出了海洋循环图，但是这也只是把握了一个大概而已。