A atmosfera da Terra consiste em uma camada estratificada de gases que são mantidos no lugar devido à gravidade. Os principais constituintes do ar atmosférico são nitrogênio, oxigênio, argônio e dióxido de carbono. O nitrogênio e o dióxido de carbono são essenciais para a vida na Terra e vitais para vários processos bioquímicos, como fotossíntese e síntese de proteínas.
O nitrogênio é um elemento da tabela periódica com número atômico 7. O núcleo do nitrogênio consiste em 7 prótons com carga positiva e geralmente 7 nêutrons com carga zero. Para manter um átomo eletricamente neutro, 7 elétrons orbitam o núcleo em uma série de camadas. O nitrogênio é um gás em temperatura ambiente e constitui cerca de 78% da atmosfera terrestre. O nitrogênio se liquefaz a -210,1 graus Celsius (-346,18 graus Fahrenheit), o que permite seu uso em experimentos e atividades criogênicas.
O dióxido de carbono é um composto com uma molécula que consiste em um único átomo de carbono e dois átomos de oxigênio. Elétrons na camada externa dos átomos de carbono e oxigênio são compartilhados para formar ligações covalentes. O dióxido de carbono é um gás à temperatura ambiente e constitui 0,03% da atmosfera terrestre. O dióxido de carbono é incomum, pois forma um sólido sem passar por uma fase líquida à pressão atmosférica normal. Este processo é conhecido como sublimação. O dióxido de carbono sublima para formar gelo seco a uma temperatura de -56 graus Celsius (-68,8 graus Fahrenheit).
A fotossíntese, o processo pelo qual as plantas convertem a luz solar em açúcar glicose, constitui uma das reações biológicas mais fundamentais que ocorre na Terra e forma a base da vida na parte inferior da cadeia alimentar, fornecendo a organismos mais complexos, como os mamíferos, um suprimento de Comida. A fotossíntese requer uma fonte natural de carbono para sintetizar a glicose; ele o obtém do gás dióxido de carbono atmosférico. A palavra química equação para fotossíntese é:
O nitrogênio é um bloco de construção essencial de moléculas biológicas fundamentais, como proteínas e ácidos nucléicos. O gás nitrogênio da atmosfera é capturado por bactérias "fixadoras de nitrogênio". Durante esse processo, os gases nitrogênio e hidrogênio são convertidos em amônia que as plantas podem absorver diretamente. Alternativamente, a amônia se decompõe no solo em nitratos que as plantas também podem absorver. As plantas usam amônia e nitratos para sintetizar moléculas bioquímicas, como clorofila, proteínas e ácidos nucléicos. O nitrogênio pode ser liberado de volta para a atmosfera por meio de vários processos. Bactérias desnitrificantes que vivem no solo podem converter nitratos em gás nitrogênio. Alternativamente, as moléculas contendo nitrogênio dentro das plantas são consumidas pelos animais, resultando em excrementos ricos em nitrogênio. Bactérias nitrificantes decompõem a amônia nesses resíduos, convertendo-os em nitratos. As bactérias desnitrificantes então decompõem esses nitratos em gás nitrogênio. Essas etapas formam a base do ciclo do nitrogênio.