يتكون الغلاف الجوي للأرض من طبقة طبقية من الغازات التي يتم تثبيتها في مكانها بسبب الجاذبية. المكونات الرئيسية للهواء الجوي هي النيتروجين والأكسجين والأرجون وثاني أكسيد الكربون. يعتبر كل من النيتروجين وثاني أكسيد الكربون ضروريين للحياة على الأرض وهما حيويان لعدد من العمليات الكيميائية الحيوية مثل التمثيل الضوئي وتخليق البروتين.
النيتروجين عنصر في الجدول الدوري برقم ذري 7. تتكون نواة النيتروجين من 7 بروتونات بشحنة موجبة ، وعادة ما تكون 7 نيوترونات بدون شحنة. من أجل الحفاظ على ذرة محايدة كهربائيًا ، تدور 7 إلكترونات حول النواة في سلسلة من الأصداف. النيتروجين غاز في درجة حرارة الغرفة ويشكل حوالي 78 بالمائة من الغلاف الجوي للأرض. يسيل النيتروجين عند -210.1 درجة مئوية (-346.18 درجة فهرنهايت) ، مما يسمح باستخدامه في التجارب والأنشطة المبردة.
ثاني أكسيد الكربون مركب به جزيء يتكون من ذرة كربون واحدة وذرتين من الأكسجين. تتم مشاركة الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي لذرات الكربون والأكسجين لتكوين روابط تساهمية. ثاني أكسيد الكربون هو غاز في درجة حرارة الغرفة ويشكل 0.03 في المائة من الغلاف الجوي للأرض. يعتبر ثاني أكسيد الكربون غير معتاد من حيث أنه يشكل مادة صلبة دون المرور بمرحلة سائلة عند الضغط الجوي العادي. تُعرف هذه العملية باسم التسامي. يتسامى ثاني أكسيد الكربون لتكوين ثلج جاف عند درجة حرارة -56 درجة مئوية (-68.8 درجة فهرنهايت).
تشكل عملية التمثيل الضوئي ، وهي العملية التي تحول من خلالها النباتات ضوء الشمس إلى سكر الجلوكوز ، أحد التفاعلات البيولوجية الأساسية التي يحدث على الأرض ويشكل أساس الحياة في أسفل السلسلة الغذائية ، مما يزود الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا ، مثل الثدييات ، بإمدادات غذاء. يتطلب التمثيل الضوئي مصدرًا طبيعيًا للكربون من أجل تخليق الجلوكوز ؛ تحصل عليه من غاز ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي. معادلة الكلمات الكيميائية لعملية التمثيل الضوئي هي:
النيتروجين هو لبنة أساسية في بناء الجزيئات البيولوجية الأساسية ، مثل البروتينات والأحماض النووية. يتم التقاط غاز النيتروجين من الغلاف الجوي بواسطة بكتيريا "مثبتة للنيتروجين". خلال هذه العملية ، يتم تحويل غازات النيتروجين والهيدروجين إلى أمونيا تستطيع النباتات امتصاصها مباشرة. بدلاً من ذلك ، تتحلل الأمونيا في التربة إلى نترات يمكن أن تمتصها النباتات أيضًا. تستخدم النباتات الأمونيا والنترات لتجميع الجزيئات الكيميائية الحيوية ، مثل الكلوروفيل والبروتينات والأحماض النووية. يمكن إطلاق النيتروجين مرة أخرى في الغلاف الجوي عبر عدد من العمليات. يمكن لبكتيريا نزع النتروجين التي تعيش في التربة تحويل النترات إلى غاز نيتروجين. بدلاً من ذلك ، تستهلك الحيوانات الجزيئات المحتوية على النيتروجين داخل النباتات ، مما ينتج عنه براز غني بالنيتروجين. تقوم البكتيريا الآزوتية بتفكيك الأمونيا في هذه النفايات وتحويلها إلى نترات. ثم تقوم البكتيريا التي تزيل النتروجين بتفكيك تلك النترات إلى غاز النيتروجين. تشكل هذه الخطوات أساس دورة النيتروجين.