La atmósfera de la Tierra consiste en una capa estratificada de gases que se mantienen en su lugar debido a la gravedad. Los componentes principales del aire atmosférico son nitrógeno, oxígeno, argón y dióxido de carbono. El nitrógeno y el dióxido de carbono son esenciales para la vida en la Tierra y son vitales para una serie de procesos bioquímicos como la fotosíntesis y la síntesis de proteínas.
El nitrógeno es un elemento de la tabla periódica con un número atómico de 7. El núcleo del nitrógeno consta de 7 protones con carga positiva y, por lo general, 7 neutrones con carga cero. Para mantener un átomo eléctricamente neutro, 7 electrones orbitan el núcleo en una serie de capas. El nitrógeno es un gas a temperatura ambiente y constituye aproximadamente el 78 por ciento de la atmósfera de la Tierra. El nitrógeno se licua a -210,1 grados Celsius (-346,18 grados Fahrenheit), lo que permite su uso en experimentos y actividades criogénicas.
El dióxido de carbono es un compuesto con una molécula que consta de un solo átomo de carbono y dos átomos de oxígeno. Los electrones de la capa exterior de los átomos de carbono y oxígeno se comparten para formar enlaces covalentes. El dióxido de carbono es un gas a temperatura ambiente y constituye el 0,03 por ciento de la atmósfera terrestre. El dióxido de carbono es inusual porque forma un sólido sin pasar por una fase líquida a presión atmosférica normal. Este proceso se conoce como sublimación. El dióxido de carbono se sublima para formar hielo seco a una temperatura de -56 grados Celsius (-68,8 grados Fahrenheit).
La fotosíntesis, el proceso por el cual las plantas convierten la luz solar en glucosa, constituye una de las reacciones biológicas más fundamentales que tiene lugar en la Tierra y forma la base de la vida en la parte inferior de la cadena alimentaria, proporcionando a los organismos más complejos, como los mamíferos, un suministro de comida. La fotosíntesis requiere una fuente natural de carbono para sintetizar glucosa; lo obtiene del gas de dióxido de carbono atmosférico. La ecuación de palabras químicas para la fotosíntesis es:
El nitrógeno es un bloque de construcción esencial de moléculas biológicas fundamentales, como proteínas y ácidos nucleicos. El gas nitrógeno de la atmósfera es capturado por bacterias "fijadoras de nitrógeno". Durante este proceso, los gases de nitrógeno e hidrógeno se convierten en amoníaco que las plantas pueden absorber directamente. Alternativamente, el amoníaco se descompone en el suelo en nitratos que las plantas también pueden absorber. Las plantas usan amoníaco y nitratos para sintetizar moléculas bioquímicas, como clorofila, proteínas y ácidos nucleicos. El nitrógeno puede volver a liberarse a la atmósfera a través de varios procesos. Las bacterias desnitrificantes que viven en el suelo pueden convertir los nitratos en gas nitrógeno. Alternativamente, los animales consumen moléculas que contienen nitrógeno dentro de las plantas, lo que resulta en excrementos ricos en nitrógeno. Las bacterias nitrificantes descomponen el amoníaco de estos desechos y lo convierten en nitratos. Las bacterias desnitrrificantes luego descomponen esos nitratos en gas nitrógeno. Estos pasos forman la base del ciclo del nitrógeno.
