Zemská atmosféra sa skladá zo stratifikovanej vrstvy plynov, ktoré sú udržiavané na mieste pôsobením gravitácie. Hlavnými zložkami atmosférického vzduchu sú dusík, kyslík, argón a oxid uhličitý. Dusík a oxid uhličitý sú pre život na Zemi nevyhnutné a sú životne dôležité pre množstvo biochemických procesov, ako je fotosyntéza a syntéza bielkovín.
Dusík je prvok v periodickej tabuľke s atómovým číslom 7. Dusíkové jadro pozostáva zo 7 protónov s kladným nábojom a zvyčajne zo 7 neutrónov s nulovým nábojom. Kvôli udržaniu elektricky neutrálneho atómu obieha okolo jadra 7 elektrónov v sérii škrupín. Dusík je plyn pri izbovej teplote a tvorí asi 78 percent zemskej atmosféry. Dusík skvapalňuje pri -210,1 stupňa Celzia (-346,18 stupňa Fahrenheita), čo umožňuje jeho použitie pri kryogénnych experimentoch a činnostiach.
Oxid uhličitý je zlúčenina s molekulou pozostávajúcou z jedného atómu uhlíka a dvoch atómov kyslíka. Elektróny vo vonkajšom obale atómov uhlíka a kyslíka sa zdieľajú a vytvárajú kovalentné väzby. Oxid uhličitý je plyn pri izbovej teplote a tvorí 0,03 percenta zemskej atmosféry. Oxid uhličitý je neobvyklý v tom, že za normálneho atmosférického tlaku vytvára pevnú látku bez toho, aby prechádzal cez kvapalnú fázu. Tento proces je známy ako sublimácia. Oxid uhličitý sublimuje a vytvára suchý ľad pri teplote -56 stupňov Celzia (-68,8 stupňov Fahrenheita).
Fotosyntéza, proces, pri ktorom rastliny premieňajú slnečné svetlo na glukózový cukor, predstavuje jednu z najzákladnejších biologických reakcií sa odohráva na Zemi a tvorí základ života na dne potravinového reťazca a poskytuje komplexnejším organizmom, ako sú cicavce, prísun jedlo. Fotosyntéza vyžaduje na syntézu glukózy prírodný zdroj uhlíka; toto získava z atmosférického plynu oxidu uhličitého. Chemická slovná rovnica pre fotosyntézu je:
Dusík je základným stavebným kameňom základných biologických molekúl, ako sú proteíny a nukleové kyseliny. Plynný dusík z atmosféry je zachytávaný baktériami „viažucimi dusík“. Počas tohto procesu sa plyny dusíka a vodíka premieňajú na amoniak, ktorý môžu rastliny priamo absorbovať. Alternatívne sa amoniak rozpadá v pôde na dusičnany, ktoré môžu rastliny tiež absorbovať. Rastliny používajú amoniak a dusičnany na syntézu biochemických molekúl, ako je chlorofyl, proteíny a nukleové kyseliny. Dusík sa môže uvoľňovať späť do atmosféry pomocou mnohých procesov. Denitrifikačné baktérie, ktoré žijú v pôde, môžu premieňať dusičnany na plynný dusík. Alternatívne sú molekuly obsahujúce dusík v rastlinách spotrebované zvieratami, čo vedie k exkrementom bohatým na dusík. Nitrifikačné baktérie štiepia amoniak v tomto odpade a premieňajú ho na dusičnany. Denitrifikačné baktérie potom tieto dusičnany rozkladajú na plynný dusík. Tieto kroky tvoria základ cyklu dusíka.