האטמוספירה של כדור הארץ מורכבת משכבה מרובדת של גזים המוחזקים במקום בגלל כוח הכבידה. המרכיבים העיקריים של אוויר אטמוספרי הם חנקן, חמצן, ארגון ופחמן דו חמצני. חנקן ופחמן דו חמצני חיוניים לחיים בכדור הארץ וחיוניים למספר תהליכים ביוכימיים כמו פוטוסינתזה וסינתזת חלבונים.
חנקן הוא יסוד בטבלה המחזורית עם מספר אטומי של 7. גרעין החנקן מורכב משבעה פרוטונים עם מטען חיובי, ובדרך כלל 7 נויטרונים עם מטען אפס. על מנת לשמור על אטום ניטרלי חשמלי, 7 אלקטרונים מקיפים את הגרעין בסדרת קליפות. חנקן הוא גז בטמפרטורת החדר ומהווה כ- 78 אחוזים מהאטמוספירה של כדור הארץ. חנקן נוזל ב -210.1 מעלות צלזיוס (-346.18 מעלות פרנהייט), מה שמאפשר שימוש בו בניסויים ופעילויות קריוגניות.
פחמן דו חמצני הוא תרכובת עם מולקולה המורכבת מאטום פחמן יחיד ושני אטומי חמצן. אלקטרונים בקליפה החיצונית של אטומי הפחמן והחמצן משותפים ליצירת קשרים קוולנטיים. פחמן דו חמצני הוא גז בטמפרטורת החדר ומהווה 0.03 אחוזים מהאטמוספירה של כדור הארץ. פחמן דו חמצני יוצא דופן בכך שהוא יוצר מוצק מבלי לעבור שלב נוזלי בלחץ אטמוספרי רגיל. תהליך זה מכונה סובלימציה. פחמן דו חמצני נשגב ליצירת קרח יבש בטמפרטורה של -56 מעלות צלזיוס (-68.8 מעלות פרנהייט).
הפוטוסינתזה, התהליך שבו צמחים הופכים את אור השמש לסוכר גלוקוז, מהווה את אחת התגובות הביולוגיות היסודיות ביותר מתרחש על כדור הארץ ומהווה בסיס לחיים בתחתית שרשרת המזון, ומספק לאורגניזמים מורכבים יותר, כגון יונקים, אספקה של מזון. פוטוסינתזה דורשת מקור טבעי של פחמן על מנת לסנתז גלוקוז; זה משיג זאת מגז פחמן דו חמצני אטמוספרי. משוואת המלים הכימיות לפוטוסינתזה היא:
חנקן הוא אבן בניין חיונית של מולקולות ביולוגיות בסיסיות, כגון חלבונים וחומצות גרעין. גז חנקן מהאטמוספירה נלכד על ידי חיידקים "מקבעים חנקן". בתהליך זה מומרים גזי חנקן ומימן לאמוניה שצמחים יכולים לספוג ישירות. לחלופין, אמוניה מתפוררת בקרקע לחנקות שצמחים יכולים לספוג. צמחים משתמשים באמוניה ובניטרטים כדי לסנתז מולקולות ביוכימיות, כמו כלורופיל, חלבונים וחומצות גרעין. ניתן לשחרר חנקן לאטמוספירה באמצעות מספר תהליכים. חיידקים מכחישים החיים באדמה יכולים להמיר חנקות לגז חנקן. לחלופין, מולקולות המכילות חנקן בתוך הצמחים נצרכות על ידי בעלי חיים, וכתוצאה מכך צואה עשירה בחנקן. חיידקים מחלידים מפרקים את האמוניה שבפסולת זו, והופכים אותה לחנקות. חיידקים דניטריטריפיים ואז מפרקים את החנקות לגז חנקן. צעדים אלה מהווים בסיס למחזור החנקן.