Maan ilmakehä koostuu kerrostuneesta kaasukerroksesta, joka pidetään paikallaan painovoiman vuoksi. Ilmakehän ilman tärkeimmät ainesosat ovat typpi, happi, argon ja hiilidioksidi. Typpi ja hiilidioksidi ovat molemmat välttämättömiä maapallon elämälle ja ovat elintärkeitä useille biokemiallisille prosesseille, kuten fotosynteesille ja proteiinisynteesille.
Typpi on jaksollisen järjestelmän alkuaine, jonka atomiluku on 7. Typen ydin koostuu 7 protonista, joilla on positiivinen varaus, ja yleensä 7 neutronista, joilla on nolla varaus. Sähköisesti neutraalin atomin ylläpitämiseksi 7 elektronia kiertää ydintä sarjassa kuoria. Typpi on huoneenlämmössä oleva kaasu, joka muodostaa noin 78 prosenttia maapallon ilmakehästä. Typpi nesteytyy -210,1 celsiusasteessa (-346,18 astetta Fahrenheit), mikä sallii sen käytön kryogeenisissä kokeissa ja toiminnoissa.
Hiilidioksidi on yhdiste, jonka molekyyli koostuu yhdestä hiiliatomista ja kahdesta happiatomista. Hiili- ja happiatomien ulkokuoressa olevat elektronit jaetaan kovalenttisten sidosten muodostamiseksi. Hiilidioksidi on kaasu huoneenlämmössä ja muodostaa 0,03 prosenttia maapallon ilmakehästä. Hiilidioksidi on epätavallinen siinä mielessä, että se muodostaa kiinteän aineen kulkematta nestefaasin läpi normaalissa ilmakehän paineessa. Tämä prosessi tunnetaan sublimaationa. Hiilidioksidi sublimoituu kuivan jään muodostamiseksi lämpötilassa -56 ° C (-68,8 ° Fahrenheit).
Fotosynteesi, prosessi, jolla kasvit muuttavat auringonvalon glukoosisokeriksi, on yksi perustavanlaatuisimmista biologisista reaktioista tapahtuu maapallolla ja muodostaa perustan elämälle ravintoketjun lopussa ja tarjoaa monimutkaisemmille organismeille, kuten nisäkkäille, ruokaa. Fotosynteesi vaatii luonnollisen hiilen lähteen glukoosin syntetisoimiseksi; se saa tämän ilmakehän hiilidioksidikaasusta. Kemiallisen sanan yhtälö fotosynteesille on:
Typpi on olennainen rakennuspalikka biologisille perusmolekyyleille, kuten proteiineille ja nukleiinihapoille. Ilmakehän typpikaasu siepataan "typpeä sitovilla" bakteereilla. Tämän prosessin aikana typpi- ja vetykaasut muuttuvat ammoniakiksi, jonka kasvit voivat absorboida suoraan. Vaihtoehtoisesti ammoniakki hajoaa maaperässä nitraateiksi, joita kasvit voivat myös absorboida. Kasvit käyttävät ammoniakkia ja nitraatteja biokemiallisten molekyylien, kuten klorofyllin, proteiinien ja nukleiinihappojen, syntetisoimiseksi. Typpi voidaan vapauttaa takaisin ilmakehään useiden prosessien avulla. Maaperässä elävät denitrifioivat bakteerit voivat muuttaa nitraatit typpikaasuksi. Vaihtoehtoisesti eläimet kuluttavat kasveissa olevia typpeä sisältäviä molekyylejä, mikä johtaa typpipitoisiin ulosteisiin. Nitrifioivat bakteerit hajottavat tässä jätteessä olevan ammoniakin muuttamalla sen nitraateiksi. Denitrifioivat bakteerit hajottavat sitten nämä nitraatit typpikaasuksi. Nämä vaiheet muodostavat typpisyklin perustan.