Atmosféra Země se skládá ze stratifikované vrstvy plynů, které jsou drženy na místě působením gravitace. Hlavními složkami atmosférického vzduchu jsou dusík, kyslík, argon a oxid uhličitý. Dusík a oxid uhličitý jsou pro život na Zemi nezbytné a jsou životně důležité pro řadu biochemických procesů, jako je fotosyntéza a syntéza bílkovin.
Dusík je prvek v periodické tabulce s atomovým číslem 7. Jádro dusíku se skládá ze 7 protonů s kladným nábojem a obvykle ze 7 neutronů s nulovým nábojem. Za účelem udržení elektricky neutrálního atomu obíhá kolem jádra 7 elektronů v sérii skořápek. Dusík je plyn při pokojové teplotě a tvoří asi 78 procent zemské atmosféry. Dusík zkapalňuje při teplotě -210,1 stupňů Celsia (-346,18 stupňů Fahrenheita), což umožňuje jeho použití při kryogenních experimentech a činnostech.
Oxid uhličitý je sloučenina s molekulou skládající se z jednoho atomu uhlíku a dvou atomů kyslíku. Elektrony ve vnějším obalu atomů uhlíku a kyslíku jsou sdíleny a tvoří kovalentní vazby. Oxid uhličitý je plyn při pokojové teplotě a tvoří 0,03 procent zemské atmosféry. Oxid uhličitý je neobvyklý v tom, že tvoří pevnou látku, aniž by za normálního atmosférického tlaku prošel kapalnou fází. Tento proces se nazývá sublimace. Oxid uhličitý sublimuje a vytváří suchý led při teplotě -56 stupňů Celsia (-68,8 stupňů Fahrenheita).
Fotosyntéza, proces, při kterém rostliny přeměňují sluneční světlo na glukózový cukr, představuje jednu z nejzákladnějších biologických reakcí odehrává se na Zemi a tvoří základ života na dně potravinového řetězce a poskytuje komplexnějším organismům, jako jsou savci, zásobu jídlo. Fotosyntéza vyžaduje pro syntézu glukózy přírodní zdroj uhlíku; získává to z atmosférického plynu oxidu uhličitého. Chemická slovní rovnice pro fotosyntézu je:
Dusík je základním stavebním kamenem základních biologických molekul, jako jsou proteiny a nukleové kyseliny. Plynný dusík z atmosféry je zachycen bakteriemi „vázajícími dusík“. Během tohoto procesu se plyny dusíku a vodíku přeměňují na amoniak, který mohou rostliny přímo absorbovat. Alternativně se amoniak rozpadá v půdě na dusičnany, které mohou rostliny také absorbovat. Rostliny používají amoniak a dusičnany k syntéze biochemických molekul, jako je chlorofyl, proteiny a nukleové kyseliny. Dusík může být uvolňován zpět do atmosféry řadou procesů. Denitrifikační bakterie, které žijí v půdě, mohou přeměňovat dusičnany na plynný dusík. Alternativně jsou molekuly obsahující dusík v rostlinách konzumovány zvířaty, což vede k exkrementům bohatým na dusík. Nitrifikační bakterie štěpí amoniak v tomto odpadu a přeměňují ho na dusičnany. Denitrifikační bakterie pak tyto dusičnany rozloží na plynný dusík. Tyto kroky tvoří základ cyklu dusíku.