L'atmosphère terrestre est constituée d'une couche stratifiée de gaz qui sont maintenus en place en raison de la gravité. Les principaux constituants de l'air atmosphérique sont l'azote, l'oxygène, l'argon et le dioxyde de carbone. L'azote et le dioxyde de carbone sont tous deux essentiels à la vie sur Terre et sont vitaux pour un certain nombre de processus biochimiques tels que la photosynthèse et la synthèse des protéines.
L'azote est un élément du tableau périodique avec un numéro atomique de 7. Le noyau de l'azote se compose de 7 protons avec une charge positive, et généralement de 7 neutrons avec une charge nulle. Afin de maintenir un atome électriquement neutre, 7 électrons gravitent autour du noyau dans une série de coquilles. L'azote est un gaz à température ambiante et représente environ 78 pour cent de l'atmosphère terrestre. L'azote se liquéfie à -210,1 degrés Celsius (-346,18 degrés Fahrenheit), ce qui permet son utilisation dans des expériences et des activités cryogéniques.
Le dioxyde de carbone est un composé dont la molécule est constituée d'un seul atome de carbone et de deux atomes d'oxygène. Les électrons de l'enveloppe externe des atomes de carbone et d'oxygène sont partagés pour former des liaisons covalentes. Le dioxyde de carbone est un gaz à température ambiante et représente 0,03 % de l'atmosphère terrestre. Le dioxyde de carbone est inhabituel en ce qu'il forme un solide sans passer par une phase liquide à la pression atmosphérique normale. Ce processus est connu sous le nom de sublimation. Le dioxyde de carbone se sublime pour former de la glace sèche à une température de -56 degrés Celsius (-68,8 degrés Fahrenheit).
La photosynthèse, le processus par lequel les plantes convertissent la lumière du soleil en sucre de glucose, constitue l'une des réactions biologiques les plus fondamentales qui se déroule sur Terre et constitue la base de la vie au bas de la chaîne alimentaire, fournissant à des organismes plus complexes, tels que les mammifères, un approvisionnement en aliments. La photosynthèse nécessite une source naturelle de carbone pour synthétiser le glucose; il l'obtient à partir du gaz carbonique atmosphérique. L'équation chimique du mot pour la photosynthèse est :
L'azote est un élément essentiel des molécules biologiques fondamentales, telles que les protéines et les acides nucléiques. L'azote gazeux de l'atmosphère est capté par des bactéries « fixatrices d'azote ». Au cours de ce processus, les gaz d'azote et d'hydrogène sont convertis en ammoniac que les plantes peuvent absorber directement. Alternativement, l'ammoniac se désintègre dans le sol en nitrates que les plantes peuvent également absorber. Les plantes utilisent l'ammoniac et les nitrates pour synthétiser des molécules biochimiques, telles que la chlorophylle, les protéines et les acides nucléiques. L'azote peut être rejeté dans l'atmosphère via un certain nombre de processus. Les bactéries dénitrifiantes qui vivent dans le sol peuvent convertir les nitrates en azote gazeux. Alternativement, les molécules contenant de l'azote dans les plantes sont consommées par les animaux, ce qui entraîne des excréments riches en azote. Les bactéries nitrifiantes décomposent l'ammoniac dans ces déchets, le convertissant en nitrates. Les bactéries dénitrifiantes décomposent ensuite ces nitrates en azote gazeux. Ces étapes forment la base du cycle de l'azote.