Атмосфера Земли состоит из слоистого слоя газов, удерживаемых на месте под действием силы тяжести. Основными составляющими атмосферного воздуха являются азот, кислород, аргон и углекислый газ. Азот и углекислый газ необходимы для жизни на Земле и жизненно важны для ряда биохимических процессов, таких как фотосинтез и синтез белка.
Азот - это элемент периодической таблицы с атомным номером 7. Ядро азота состоит из 7 протонов с положительным зарядом и обычно 7 нейтронов с нулевым зарядом. Чтобы поддерживать электрически нейтральный атом, 7 электронов вращаются вокруг ядра в серии оболочек. Азот - это газ при комнатной температуре, который составляет около 78 процентов атмосферы Земли. Азот сжижается при температуре -210,1 градуса по Цельсию (-346,18 градуса по Фаренгейту), что позволяет использовать его в криогенных экспериментах и деятельности.
Углекислый газ - это соединение, молекула которого состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода. Электроны во внешней оболочке атомов углерода и кислорода совместно образуют ковалентные связи. Двуокись углерода - это газ при комнатной температуре, который составляет 0,03 процента атмосферы Земли. Двуокись углерода необычна тем, что образует твердое вещество, не проходя через жидкую фазу при нормальном атмосферном давлении. Этот процесс известен как сублимация. Углекислый газ сублимируется с образованием сухого льда при температуре -56 градусов по Цельсию (-68,8 градусов по Фаренгейту).
Фотосинтез, процесс, с помощью которого растения превращают солнечный свет в глюкозный сахар, представляет собой одну из самых фундаментальных биологических реакций, которые происходит на Земле и составляет основу жизни в нижней части пищевой цепочки, обеспечивая более сложные организмы, такие как млекопитающие, запасами еда. Фотосинтез требует естественного источника углерода для синтеза глюкозы; он получает это из атмосферного углекислого газа. Химическое словесное уравнение для фотосинтеза:
Азот является важным строительным блоком основных биологических молекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты. Газообразный азот из атмосферы улавливается «азотфиксирующими» бактериями. Во время этого процесса газообразные азот и водород превращаются в аммиак, который растения могут поглощать напрямую. Кроме того, аммиак разлагается в почве на нитраты, которые также могут поглощать растения. Растения используют аммиак и нитраты для синтеза биохимических молекул, таких как хлорофилл, белки и нуклеиновые кислоты. Азот может быть выпущен обратно в атмосферу с помощью ряда процессов. Денитрифицирующие бактерии, обитающие в почве, могут превращать нитраты в газообразный азот. В качестве альтернативы азотсодержащие молекулы в растениях потребляются животными, в результате чего образуются богатые азотом экскременты. Нитрифицирующие бактерии расщепляют аммиак в этих отходах, превращая его в нитраты. Затем денитрифицирующие бактерии расщепляют эти нитраты до газообразного азота. Эти шаги составляют основу азотного цикла.