Jordens atmosfære består av et lagdelt lag av gasser som holdes på plass på grunn av tyngdekraften. De viktigste bestanddelene i atmosfærisk luft er nitrogen, oksygen, argon og karbondioksid. Nitrogen og karbondioksid er begge essensielle for livet på jorden og er avgjørende for en rekke biokjemiske prosesser som fotosyntese og proteinsyntese.
Nitrogen er et element i det periodiske systemet med et atomnummer på 7. Nitrogenkjernen består av 7 protoner med positiv ladning, og vanligvis 7 nøytroner med null ladning. For å opprettholde et elektrisk nøytralt atom, kretser 7 elektroner kjernen i en serie med skall. Nitrogen er en gass ved romtemperatur og utgjør omtrent 78 prosent av jordens atmosfære. Nitrogen blir flytende ved -210,1 grader Celsius (-346,18 grader Fahrenheit), som tillater bruk i kryogene eksperimenter og aktiviteter.
Karbondioksid er en forbindelse med et molekyl som består av et enkelt karbonatom og to oksygenatomer. Elektroner i det ytre skallet av karbon- og oksygenatomer deles for å danne kovalente bindinger. Karbondioksid er en gass ved romtemperatur og utgjør 0,03 prosent av jordens atmosfære. Karbondioksid er uvanlig ved at det danner et fast stoff uten å passere en flytende fase ved normalt atmosfærisk trykk. Denne prosessen er kjent som sublimering. Karbondioksid sublimerer for å danne tørris ved en temperatur på -56 grader Celsius (-68,8 grader Fahrenheit).
Fotosyntese, prosessen der planter omdanner sollys til glukose sukker, utgjør en av de mest grunnleggende biologiske reaksjonene som foregår på jorden og danner grunnlaget for livet i bunnen av næringskjeden, og gir mer komplekse organismer, for eksempel pattedyr, en forsyning av mat. Fotosyntese krever en naturlig kilde for karbon for å syntetisere glukose; den får dette fra atmosfærisk karbondioksydgass. Den kjemiske ordligningen for fotosyntese er:
Nitrogen er en viktig byggestein i grunnleggende biologiske molekyler, som proteiner og nukleinsyrer. Nitrogengass fra atmosfæren fanges opp av "nitrogenfikserende" bakterier. I løpet av denne prosessen omdannes nitrogen- og hydrogengasser til ammoniakk som planter kan absorbere direkte. Alternativt forfaller ammoniakk i jorden til nitrater som planter også kan absorbere. Planter bruker ammoniakk og nitrater for å syntetisere biokjemiske molekyler, som klorofyll, proteiner og nukleinsyrer. Nitrogen kan frigjøres tilbake til atmosfæren via en rekke prosesser. Denitrifiserende bakterier som lever i jord kan omdanne nitrater til nitrogengass. Alternativt forbrukes nitrogenholdige molekyler i planter av dyr, noe som resulterer i nitrogenrik ekskrement. Nitrifiserende bakterier bryter ned ammoniakken i dette avfallet og omdanner det til nitrater. Denitrifiserende bakterier bryter deretter ned nitratene til nitrogengass. Disse trinnene danner grunnlaget for nitrogensyklusen.
