Zemljina atmosfera sastoji se od slojevitog sloja plinova koji se drže na mjestu zbog gravitacije. Glavni sastojci atmosferskog zraka su dušik, kisik, argon i ugljični dioksid. Dušik i ugljični dioksid su neophodni za život na Zemlji i vitalni su za brojne biokemijske procese poput fotosinteze i sinteze bjelančevina.
Dušik je element u periodnom sustavu s atomskim brojem 7. Jezgra dušika sastoji se od 7 protona s pozitivnim nabojem i obično 7 neutrona s nultim nabojem. Da bi se održao električki neutralan atom, 7 elektrona kruži oko jezgre u nizu ljuski. Dušik je plin sobne temperature i čini oko 78 posto Zemljine atmosfere. Dušik se ukapljuje na -210,1 Celzijeva stupnja (-346,18 stupnjeva Fahrenheita), što omogućuje njegovu upotrebu u kriogenim eksperimentima i aktivnostima.
Ugljični dioksid je spoj s molekulom koja se sastoji od jednog atoma ugljika i dva atoma kisika. Elektroni u vanjskoj ovojnici atoma ugljika i kisika dijele se kako bi stvorili kovalentne veze. Ugljični dioksid je plin sobne temperature i čini 0,03 posto Zemljine atmosfere. Ugljični dioksid neobičan je po tome što stvara krutinu bez prolaska kroz tekuću fazu pri normalnom atmosferskom tlaku. Taj je proces poznat pod nazivom sublimacija. Ugljični dioksid sublimira i stvara suhi led na temperaturi od -56 Celzijevih stupnjeva (-68,8 stupnjeva Fahrenheita).
Fotosinteza, postupak kojim biljke pretvaraju sunčevu svjetlost u glukozni šećer, predstavlja jednu od najvažnijih bioloških reakcija koja odvija se na Zemlji i čini osnovu života na dnu hranidbenog lanca, pružajući složenijim organizmima, poput sisavaca, opskrbu hrana. Fotosinteza zahtijeva prirodni izvor ugljika kako bi se sintetizirala glukoza; to dobiva iz atmosferskog plina ugljičnog dioksida. Jednadžba kemijske riječi za fotosintezu je:
Dušik je bitan gradivni element osnovnih bioloških molekula, poput proteina i nukleinskih kiselina. Dušik iz atmosfere zauzimaju bakterije koje "fiksiraju dušik". Tijekom ovog postupka, plinovi dušika i vodika pretvaraju se u amonijak koji biljke mogu izravno apsorbirati. Alternativno, amonijak se u tlu raspada u nitrate koje biljke također mogu apsorbirati. Biljke koriste amonijak i nitrate za sintezu biokemijskih molekula, poput klorofila, proteina i nukleinskih kiselina. Dušik se može pustiti natrag u atmosferu kroz brojne procese. Denitrificirajuće bakterije koje žive u tlu mogu pretvoriti nitrate u plin dušika. Alternativno, životinje troše molekule koje sadrže dušik unutar biljaka, što rezultira izmetom bogatim dušikom. Nitrificirajuće bakterije razgrađuju amonijak u ovom otpadu, pretvarajući ga u nitrate. Denitrificirajuće bakterije tada razgrađuju te nitrate u plinoviti dušik. Ovi koraci čine osnovu ciklusa dušika.