Atmosfera ziemska składa się z warstwowej warstwy gazów, które są utrzymywane w miejscu dzięki grawitacji. Głównymi składnikami powietrza atmosferycznego są azot, tlen, argon i dwutlenek węgla. Azot i dwutlenek węgla są niezbędne do życia na Ziemi i są niezbędne dla wielu procesów biochemicznych, takich jak fotosynteza i synteza białek.
Azot jest pierwiastkiem w układzie okresowym pierwiastków o liczbie atomowej 7. Jądro azotu składa się z 7 protonów o ładunku dodatnim i zwykle 7 neutronów o zerowym ładunku. Aby utrzymać elektrycznie obojętny atom, 7 elektronów krąży wokół jądra w szeregu powłok. Azot jest gazem w temperaturze pokojowej i stanowi około 78 procent ziemskiej atmosfery. Azot skrapla się w temperaturze -210,1 stopnia Celsjusza (-346,18 stopnia Fahrenheita), co pozwala na jego wykorzystanie w eksperymentach i czynnościach kriogenicznych.
Dwutlenek węgla to związek o cząsteczce składającej się z jednego atomu węgla i dwóch atomów tlenu. Elektrony w zewnętrznej powłoce atomów węgla i tlenu są wspólne, tworząc wiązania kowalencyjne. Dwutlenek węgla jest gazem w temperaturze pokojowej i stanowi 0,03 procent ziemskiej atmosfery. Dwutlenek węgla jest niezwykły, ponieważ tworzy ciało stałe bez przechodzenia przez fazę ciekłą przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Proces ten nazywany jest sublimacją. Dwutlenek węgla sublimuje, tworząc suchy lód w temperaturze -56 stopni Celsjusza (-68,8 stopni Fahrenheita).
Fotosynteza, proces, w którym rośliny zamieniają światło słoneczne w cukier glukozowy, stanowi jedną z najbardziej podstawowych reakcji biologicznych, które: odbywa się na Ziemi i stanowi podstawę życia na dole łańcucha pokarmowego, zapewniając bardziej złożonym organizmom, takim jak ssaki, zaopatrzenie w jedzenie. Fotosynteza wymaga naturalnego źródła węgla do syntezy glukozy; uzyskuje to z atmosferycznego gazowego dwutlenku węgla. Chemiczne równanie słowa fotosyntezy to:
Azot jest niezbędnym budulcem podstawowych cząsteczek biologicznych, takich jak białka i kwasy nukleinowe. Gazowy azot z atmosfery jest wychwytywany przez bakterie „wiążące azot”. Podczas tego procesu azot i wodór są przekształcane w amoniak, który rośliny mogą bezpośrednio wchłonąć. Alternatywnie, amoniak rozpada się w glebie na azotany, które również mogą wchłonąć rośliny. Rośliny wykorzystują amoniak i azotany do syntezy cząsteczek biochemicznych, takich jak chlorofil, białka i kwasy nukleinowe. Azot może być uwalniany z powrotem do atmosfery za pomocą wielu procesów. Bakterie denitryfikacyjne żyjące w glebie mogą przekształcać azotany w gazowy azot. Alternatywnie, cząsteczki zawierające azot w roślinach są konsumowane przez zwierzęta, co skutkuje bogatymi w azot odchodami. Bakterie nitryfikacyjne rozkładają amoniak w tych odpadach, przekształcając go w azotany. Bakterie odazotowujące następnie rozkładają te azotany na gazowy azot. Te etapy stanowią podstawę cyklu azotowego.