Земната атмосфера се състои от стратифициран слой от газове, които се задържат на място поради гравитацията. Основните съставки на атмосферния въздух са азот, кислород, аргон и въглероден диоксид. Азотът и въглеродният диоксид са от съществено значение за живота на Земята и са жизненоважни за редица биохимични процеси като фотосинтеза и синтез на протеини.
Азотът е елемент в периодичната система с атомно число 7. Ядрото на азота се състои от 7 протона с положителен заряд и обикновено 7 неутрона с нулев заряд. За да поддържат електрически неутрален атом, 7 електрона обикалят ядрото в серия от черупки. Азотът е газ със стайна температура и съставлява около 78 процента от земната атмосфера. Азотът се втечнява при -210,1 градуса по Целзий (-346,18 градуса по Фаренхайт), което позволява използването му в криогенни експерименти и дейности.
Въглеродният диоксид е съединение с молекула, състояща се от единичен въглероден атом и два кислородни атома. Електроните във външната обвивка на въглеродните и кислородните атоми се споделят, за да образуват ковалентни връзки. Въглеродният диоксид е газ със стайна температура и съставлява 0,03 процента от земната атмосфера. Въглеродният диоксид е необичаен по това, че образува твърдо вещество, без да преминава през течна фаза при нормално атмосферно налягане. Този процес е известен като сублимация. Въглеродният диоксид се сублимира, за да образува сух лед при температура от -56 градуса по Целзий (-68,8 градуса по Фаренхайт).
Фотосинтезата, процесът, чрез който растенията превръщат слънчевата светлина в глюкозна захар, представлява една от най-фундаменталните биологични реакции се случва на Земята и формира основата на живота в дъното на хранителната верига, като осигурява по-сложни организми, като бозайници, с доставка на храна. Фотосинтезата изисква естествен източник на въглерод, за да синтезира глюкоза; той получава това от атмосферния въглероден диоксид. Уравнението на химичната дума за фотосинтеза е:
Азотът е съществен градивен елемент на основни биологични молекули, като протеини и нуклеинови киселини. Азотният газ от атмосферата се улавя от "азотфиксиращи" бактерии. По време на този процес азотните и водородните газове се превръщат в амоняк, който растенията могат да абсорбират директно. Алтернативно, амонякът се разпада в почвата на нитрати, които растенията също могат да абсорбират. Растенията използват амоняк и нитрати за синтезиране на биохимични молекули, като хлорофил, протеини и нуклеинови киселини. Азотът може да се освободи обратно в атмосферата чрез редица процеси. Денитрифициращите бактерии, които живеят в почвата, могат да превърнат нитратите в азотен газ. Алтернативно, съдържащите азот молекули в растенията се консумират от животни, което води до богати на азот екскременти. Нитрифициращите бактерии разграждат амоняка в тези отпадъци, превръщайки го в нитрати. Денитрифициращите бактерии след това разграждат тези нитрати до азотен газ. Тези стъпки формират основата на азотния цикъл.