De atmosfeer van de aarde bestaat uit een gelaagde laag gassen die door de zwaartekracht op hun plaats worden gehouden. De belangrijkste bestanddelen van atmosferische lucht zijn stikstof, zuurstof, argon en koolstofdioxide. Stikstof en kooldioxide zijn beide essentieel voor het leven op aarde en zijn van vitaal belang voor een aantal biochemische processen zoals fotosynthese en eiwitsynthese.
Stikstof is een element in het periodiek systeem met atoomnummer 7. De kern van stikstof bestaat uit 7 protonen met een positieve lading, en meestal 7 neutronen zonder lading. Om een elektrisch neutraal atoom te behouden, draaien 7 elektronen in een reeks schillen om de kern. Stikstof is een gas bij kamertemperatuur en vormt ongeveer 78 procent van de atmosfeer van de aarde. Stikstof wordt vloeibaar bij -210,1 graden Celsius (-346,18 graden Fahrenheit), waardoor het kan worden gebruikt in cryogene experimenten en activiteiten.
Kooldioxide is een verbinding met een molecuul dat bestaat uit een enkel koolstofatoom en twee zuurstofatomen. Elektronen in de buitenste schil van de koolstof- en zuurstofatomen worden gedeeld om covalente bindingen te vormen. Kooldioxide is een gas bij kamertemperatuur en vormt 0,03 procent van de atmosfeer van de aarde. Kooldioxide is ongebruikelijk omdat het een vaste stof vormt zonder bij normale atmosferische druk door een vloeibare fase te gaan. Dit proces staat bekend als sublimatie. Kooldioxide sublimeert om droogijs te vormen bij een temperatuur van -56 graden Celsius (-68,8 graden Fahrenheit).
Fotosynthese, het proces waarbij planten zonlicht omzetten in glucosesuiker, vormt een van de meest fundamentele biologische reacties die vindt plaats op aarde en vormt de basis van het leven onderaan de voedselketen, waardoor complexere organismen, zoals zoogdieren, worden voorzien van een voorraad voedsel. Fotosynthese vereist een natuurlijke koolstofbron om glucose te synthetiseren; het verkrijgt dit uit atmosferisch kooldioxidegas. De chemische woordvergelijking voor fotosynthese is:
Stikstof is een essentiële bouwsteen van fundamentele biologische moleculen, zoals eiwitten en nucleïnezuren. Stikstofgas uit de atmosfeer wordt opgevangen door "stikstofbindende" bacteriën. Tijdens dit proces worden stikstof- en waterstofgassen omgezet in ammoniak die planten direct kunnen opnemen. Als alternatief vervalt ammoniak in de bodem tot nitraten die planten ook kunnen opnemen. Planten gebruiken ammoniak en nitraten om biochemische moleculen te synthetiseren, zoals chlorofyl, eiwitten en nucleïnezuren. Stikstof kan via een aantal processen weer in de atmosfeer terechtkomen. Denitrificerende bacteriën die in de bodem leven, kunnen nitraten omzetten in stikstofgas. Als alternatief worden stikstofbevattende moleculen in planten door dieren geconsumeerd, wat resulteert in stikstofrijke uitwerpselen. Nitrificerende bacteriën breken de ammoniak in dit afval af en zetten het om in nitraten. Denitrificerende bacteriën breken die nitraten vervolgens af tot stikstofgas. Deze stappen vormen de basis van de stikstofkringloop.