Die Erdatmosphäre besteht aus einer geschichteten Gasschicht, die aufgrund der Schwerkraft an Ort und Stelle gehalten wird. Die Hauptbestandteile der atmosphärischen Luft sind Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Kohlendioxid. Stickstoff und Kohlendioxid sind beide für das Leben auf der Erde unerlässlich und für eine Reihe biochemischer Prozesse wie die Photosynthese und die Proteinsynthese von entscheidender Bedeutung.
Stickstoff ist ein Element des Periodensystems mit der Ordnungszahl 7. Der Kern von Stickstoff besteht aus 7 Protonen mit positiver Ladung und normalerweise aus 7 Neutronen ohne Ladung. Um ein elektrisch neutrales Atom zu erhalten, umkreisen 7 Elektronen den Kern in einer Reihe von Schalen. Stickstoff ist bei Raumtemperatur ein Gas und macht etwa 78 Prozent der Erdatmosphäre aus. Stickstoff verflüssigt sich bei -210,1 Grad Celsius (-346,18 Grad Fahrenheit), was seine Verwendung in kryogenen Experimenten und Aktivitäten ermöglicht.
Kohlendioxid ist eine Verbindung mit einem Molekül, das aus einem einzelnen Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen besteht. Elektronen in der äußeren Hülle der Kohlenstoff- und Sauerstoffatome werden geteilt, um kovalente Bindungen zu bilden. Kohlendioxid ist bei Raumtemperatur ein Gas und macht 0,03 Prozent der Erdatmosphäre aus. Kohlendioxid ist insofern ungewöhnlich, als es bei normalem atmosphärischem Druck einen Feststoff bildet, ohne eine flüssige Phase zu durchlaufen. Dieser Vorgang wird als Sublimation bezeichnet. Kohlendioxid sublimiert bei einer Temperatur von -56 Grad Celsius (-68,8 Grad Fahrenheit) zu Trockeneis.
Die Photosynthese, der Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht in Glukosezucker umwandeln, ist eine der grundlegendsten biologischen Reaktionen, die findet auf der Erde statt und bildet die Lebensgrundlage am unteren Ende der Nahrungskette und versorgt komplexere Organismen wie Säugetiere mit Lebensmittel. Die Photosynthese erfordert eine natürliche Kohlenstoffquelle, um Glucose zu synthetisieren; es erhält dies aus atmosphärischem Kohlendioxidgas. Die chemische Wortgleichung für Photosynthese lautet:
Stickstoff ist ein wesentlicher Baustein grundlegender biologischer Moleküle wie Proteine und Nukleinsäuren. Stickstoffgas aus der Atmosphäre wird von "Stickstoff-fixierenden" Bakterien eingefangen. Dabei werden Stickstoff- und Wasserstoffgase in Ammoniak umgewandelt, das Pflanzen direkt aufnehmen können. Alternativ zerfällt Ammoniak im Boden zu Nitraten, die auch Pflanzen aufnehmen können. Pflanzen verwenden Ammoniak und Nitrate, um biochemische Moleküle wie Chlorophyll, Proteine und Nukleinsäuren zu synthetisieren. Stickstoff kann über eine Reihe von Prozessen wieder in die Atmosphäre abgegeben werden. Denitrifizierende Bakterien, die im Boden leben, können Nitrate in Stickstoffgas umwandeln. Alternativ werden stickstoffhaltige Moleküle in Pflanzen von Tieren verzehrt, was zu stickstoffreichen Exkrementen führt. Nitrifizierende Bakterien bauen das Ammoniak in diesem Abfall ab und wandeln es in Nitrate um. Denitrrifizierende Bakterien bauen diese Nitrate dann zu Stickstoffgas ab. Diese Schritte bilden die Grundlage des Stickstoffkreislaufs.