Atmosfer bumi terdiri dari lapisan gas berlapis yang tertahan di tempatnya karena gravitasi. Konstituen utama udara atmosfer adalah nitrogen, oksigen, argon, dan karbon dioksida. Nitrogen dan karbon dioksida keduanya penting untuk kehidupan di Bumi dan sangat penting untuk sejumlah proses biokimia seperti fotosintesis dan sintesis protein.
Nitrogen adalah unsur dalam tabel periodik dengan nomor atom 7. Inti nitrogen terdiri dari 7 proton dengan muatan positif, dan biasanya 7 neutron dengan muatan nol. Untuk mempertahankan atom netral secara elektrik, 7 elektron mengorbit nukleus dalam serangkaian kulit. Nitrogen adalah gas pada suhu kamar dan membentuk sekitar 78 persen dari atmosfer bumi. Nitrogen mencair pada -210,1 derajat Celcius (-346,18 derajat Fahrenheit), yang memungkinkan penggunaannya dalam eksperimen dan aktivitas kriogenik.
Karbon dioksida adalah senyawa dengan molekul yang terdiri dari satu atom karbon dan dua atom oksigen. Elektron di kulit terluar atom karbon dan oksigen digunakan bersama untuk membentuk ikatan kovalen. Karbon dioksida adalah gas pada suhu kamar dan membentuk 0,03 persen dari atmosfer bumi. Karbon dioksida tidak biasa karena membentuk padatan tanpa melewati fase cair pada tekanan atmosfer normal. Proses ini dikenal sebagai sublimasi. Karbon dioksida menyublim membentuk es kering pada suhu -56 derajat Celcius (-68,8 derajat Fahrenheit).
Fotosintesis, proses di mana tanaman mengubah sinar matahari menjadi gula glukosa, merupakan salah satu reaksi biologis paling mendasar yang: terjadi di Bumi dan membentuk dasar kehidupan di bagian bawah rantai makanan, menyediakan organisme yang lebih kompleks, seperti mamalia, dengan persediaan makanan. Fotosintesis membutuhkan sumber karbon alami untuk mensintesis glukosa; ia memperoleh ini dari gas karbon dioksida atmosfer. Persamaan kata kimia untuk fotosintesis adalah:
Nitrogen adalah blok bangunan penting dari molekul biologis mendasar, seperti protein dan asam nukleat. Gas nitrogen dari atmosfer ditangkap oleh bakteri "pengikat nitrogen". Selama proses ini, gas nitrogen dan hidrogen diubah menjadi amonia yang dapat diserap tanaman secara langsung. Sebagai alternatif, amonia meluruh di tanah menjadi nitrat yang juga dapat diserap tanaman. Tanaman menggunakan amonia dan nitrat untuk mensintesis molekul biokimia, seperti klorofil, protein dan asam nukleat. Nitrogen dapat dilepaskan kembali ke atmosfer melalui sejumlah proses. Bakteri denitrifikasi yang hidup di tanah dapat mengubah nitrat menjadi gas nitrogen. Atau, molekul yang mengandung nitrogen dalam tumbuhan dikonsumsi oleh hewan, menghasilkan kotoran yang kaya nitrogen. Bakteri nitrifikasi memecah amonia dalam limbah ini, mengubahnya menjadi nitrat. Bakteri denitrifikasi kemudian memecah nitrat tersebut menjadi gas nitrogen. Langkah-langkah ini membentuk dasar dari siklus nitrogen.