A Föld légköre rétegzett gázrétegből áll, amelyeket a gravitáció miatt tartanak a helyükön. A légköri levegő fő alkotóelemei a nitrogén, oxigén, argon és szén-dioxid. A nitrogén és a szén-dioxid egyaránt nélkülözhetetlenek a földi élethez, és létfontosságúak számos biokémiai folyamat, például a fotoszintézis és a fehérjeszintézis szempontjából.
A nitrogén a periódusos rendszer olyan eleme, amelynek atomszáma 7. A nitrogén magja 7 pozitív töltésű protonból és általában 7 neutronból áll, amelyek töltése nulla. Az elektromosan semleges atom fenntartása érdekében 7 elektron kering a mag körül egy kagylósorozatban. A nitrogén szobahőmérsékleten gáz, amely a Föld légkörének mintegy 78% -át teszi ki. A nitrogén -210,1 Celsius-fokon (-346,18 Fahrenheit fok) cseppfolyósodik, ami lehetővé teszi kriogén kísérletekben és tevékenységekben való felhasználását.
A szén-dioxid olyan vegyület, amelynek molekulája egyetlen szénatomból és két oxigénatomból áll. A szén- és oxigénatomok külső héjában lévő elektronok kovalens kötéseket alkotnak. A szén-dioxid szobahőmérsékleten gáz, amely a Föld légkörének 0,03 százalékát teszi ki. A szén-dioxid szokatlan abban a tekintetben, hogy szilárd anyagot képez anélkül, hogy normál légköri nyomáson folyékony fázison haladna át. Ez a folyamat szublimáció néven ismert. A szén-dioxid szublimálva szárazjeget képez -56 Celsius fok (-68,8 Fahrenheit fok) hőmérsékleten.
A fotoszintézis, az a folyamat, amelynek során a növények a napfényt glükózcukorrá alakítják, az egyik legalapvetőbb biológiai reakció a Földön zajlik, és az élet alapját képezi az élelmiszerlánc alján, és összetettebb szervezetek, például emlősök számára étel. A fotoszintézishez természetes szénforrásra van szükség a glükóz szintetizálásához; ezt a légköri szén-dioxid-gázból nyeri. A fotoszintézis kémiai szóegyenlete:
A nitrogén alapvető biológiai molekulák, például fehérjék és nukleinsavak alapvető építőköve. A légkörből származó nitrogéngázt "nitrogénmegkötő" baktériumok fogják el. Ennek során a nitrogén- és hidrogéngázok ammóniává alakulnak, amelyet a növények közvetlenül felszívhatnak. Alternatív megoldásként az ammónia a talajban nitrátokká bomlik, amelyeket a növények is képesek felszívni. A növények ammóniát és nitrátokat használnak biokémiai molekulák, például klorofill, fehérjék és nukleinsavak szintetizálásához. A nitrogén számos folyamat révén visszavezethető a légkörbe. A talajban élő denitrifikáló baktériumok nitrátgázzá alakíthatják a nitrátokat. Alternatív megoldásként a növényekben lévő nitrogéntartalmú molekulákat az állatok elfogyasztják, ami nitrogénben gazdag ürüléket eredményez. A nitrifikáló baktériumok lebontják az ammóniát ebben a hulladékban, átalakítva nitrátokká. A denitrrifikáló baktériumok ezt követően nitrátgázzá bontják ezeket a nitrátokat. Ezek a lépések képezik a nitrogén körforgás alapját.
