Η ατμόσφαιρα της Γης αποτελείται από ένα στρωματοποιημένο στρώμα αερίων που συγκρατούνται στη θέση τους λόγω της βαρύτητας. Τα κύρια συστατικά του ατμοσφαιρικού αέρα είναι το άζωτο, το οξυγόνο, το αργό και το διοξείδιο του άνθρακα. Το άζωτο και το διοξείδιο του άνθρακα είναι και τα δύο απαραίτητα για τη ζωή στη Γη και είναι ζωτικής σημασίας για μια σειρά βιοχημικών διεργασιών όπως η φωτοσύνθεση και η σύνθεση πρωτεϊνών.
Το άζωτο είναι ένα στοιχείο στον περιοδικό πίνακα με ατομικό αριθμό 7. Ο πυρήνας του αζώτου αποτελείται από 7 πρωτόνια με θετικό φορτίο και συνήθως 7 νετρόνια με μηδενικό φορτίο. Προκειμένου να διατηρηθεί ένα ηλεκτρικά ουδέτερο άτομο, 7 ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε μια σειρά κελυφών. Το άζωτο είναι ένα αέριο σε θερμοκρασία δωματίου και αποτελεί περίπου το 78 τοις εκατό της ατμόσφαιρας της Γης. Υγρό αζώτου στους -210,1 βαθμούς Κελσίου (-346,18 βαθμοί Φαρενάιτ), το οποίο επιτρέπει τη χρήση του σε κρυογονικά πειράματα και δραστηριότητες.
Το διοξείδιο του άνθρακα είναι μια ένωση με ένα μόριο που αποτελείται από ένα άτομο άνθρακα και δύο άτομα οξυγόνου. Τα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κέλυφος των ατόμων άνθρακα και οξυγόνου μοιράζονται για να σχηματίσουν ομοιοπολικούς δεσμούς. Το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα αέριο σε θερμοκρασία δωματίου και αποτελεί το 0,03 τοις εκατό της ατμόσφαιρας της Γης. Το διοξείδιο του άνθρακα είναι ασυνήθιστο στο ότι σχηματίζει ένα στερεό χωρίς να διέρχεται μια υγρή φάση σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως εξάχνωση. Το διοξείδιο του άνθρακα εξαφανίζεται για να σχηματίσει ξηρό πάγο σε θερμοκρασία -56 βαθμούς Κελσίου (-68,8 βαθμούς Φαρενάιτ).
Η φωτοσύνθεση, η διαδικασία με την οποία τα φυτά μετατρέπουν το ηλιακό φως σε σάκχαρο γλυκόζης, αποτελεί μία από τις πιο θεμελιώδεις βιολογικές αντιδράσεις που λαμβάνει χώρα στη Γη και αποτελεί τη βάση της ζωής στον πυθμένα της τροφικής αλυσίδας, παρέχοντας στους πολυσύνθετους οργανισμούς, όπως τα θηλαστικά, μια προσφορά τροφή. Η φωτοσύνθεση απαιτεί μια φυσική πηγή άνθρακα για τη σύνθεση της γλυκόζης. το λαμβάνει από ατμοσφαιρικό αέριο διοξείδιο του άνθρακα. Η χημική λέξη εξίσωση για τη φωτοσύνθεση είναι:
Το άζωτο είναι ένα βασικό δομικό στοιχείο θεμελιωδών βιολογικών μορίων, όπως πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα. Το αέριο άζωτο από την ατμόσφαιρα συλλαμβάνεται από βακτήρια "στερέωσης αζώτου". Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, τα αέρια αζώτου και υδρογόνου μετατρέπονται σε αμμωνία που τα φυτά μπορούν να απορροφήσουν άμεσα. Εναλλακτικά, η αμμωνία αποσυντίθεται στο έδαφος σε νιτρικά άλατα που μπορούν επίσης να απορροφήσουν τα φυτά. Τα φυτά χρησιμοποιούν αμμωνία και νιτρικά άλατα για τη σύνθεση βιοχημικών μορίων, όπως χλωροφύλλη, πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα. Το άζωτο μπορεί να απελευθερωθεί πίσω στην ατμόσφαιρα μέσω μιας σειράς διεργασιών. Τα απολυμαντικά βακτήρια που ζουν στο έδαφος μπορούν να μετατρέψουν τα νιτρικά σε αέριο άζωτο. Εναλλακτικά, μόρια που περιέχουν άζωτο μέσα στα φυτά καταναλώνονται από ζώα, με αποτέλεσμα το πλούσιο σε άζωτο περιττώματα. Τα νιτροποιητικά βακτήρια διαλύουν την αμμωνία σε αυτά τα απόβλητα, μετατρέποντάς τα σε νιτρικά. Στη συνέχεια, τα βακτηρίδια απονιτροποίησης διασπώνται αυτά τα νιτρικά σε αέριο άζωτο. Αυτά τα βήματα αποτελούν τη βάση του κύκλου αζώτου.