Zemeljsko ozračje je sestavljeno iz razslojene plasti plinov, ki se zadržijo zaradi gravitacije. Glavne sestavine atmosferskega zraka so dušik, kisik, argon in ogljikov dioksid. Dušik in ogljikov dioksid sta bistvenega pomena za življenje na Zemlji in ključnega pomena za številne biokemične procese, kot sta fotosinteza in sinteza beljakovin.
Dušik je element v periodnem sistemu z atomskim številom 7. Dušikovo jedro sestavlja 7 protonov s pozitivnim nabojem in običajno 7 nevtronov z ničelnim nabojem. Da bi ohranili električno nevtralni atom, 7 elektronov kroži okoli jedra v vrsti lupin. Dušik je plin pri sobni temperaturi in predstavlja približno 78 odstotkov Zemljine atmosfere. Dušik se utekočini pri -210,1 stopinje Celzija (-346,18 stopinje Fahrenheita), kar omogoča njegovo uporabo v kriogenih poskusih in dejavnostih.
Ogljikov dioksid je spojina z molekulo, sestavljeno iz enega samega atoma ogljika in dveh atomov kisika. Elektroni v zunanji lupini atomov ogljika in kisika se delijo, da tvorijo kovalentne vezi. Ogljikov dioksid je plin pri sobni temperaturi in predstavlja 0,03 odstotka Zemljine atmosfere. Ogljikov dioksid je nenavaden, saj tvori trdno snov, ne da bi pri normalnem atmosferskem tlaku prešel skozi tekočo fazo. Ta postopek je znan kot sublimacija. Ogljikov dioksid sublimira in tvori suh led pri temperaturi -56 stopinj Celzija (-68,8 stopinje Fahrenheita).
Fotosinteza, postopek, s katerim rastline pretvorijo sončno svetlobo v glukozni sladkor, je ena najpomembnejših bioloških reakcij poteka na Zemlji in predstavlja osnovo življenja na dnu prehranjevalne verige, tako da bolj zapletene organizme, kot so sesalci, hrano. Za sintezo glukoze fotosinteza zahteva naravni vir ogljika; to pridobi iz atmosferskega plina ogljikovega dioksida. Enačba kemijske besede za fotosintezo je:
Dušik je bistveni gradnik osnovnih bioloških molekul, kot so beljakovine in nukleinske kisline. Dušikov plin iz ozračja zajemajo bakterije, ki "vežejo dušik". Med tem postopkom se plini dušika in vodika pretvorijo v amoniak, ki ga lahko rastline neposredno absorbirajo. Druga možnost je, da amoniak v tleh razpade v nitrate, ki jih lahko rastline tudi absorbirajo. Rastline z amoniakom in nitrati sintetizirajo biokemijske molekule, kot so klorofil, beljakovine in nukleinske kisline. Dušik se lahko s številnimi postopki sprosti nazaj v ozračje. Denitrificirajoče bakterije, ki živijo v tleh, lahko pretvorijo nitrate v plin dušika. Živalske molekule, ki vsebujejo dušik, vsebujejo molekule, kar povzroči iztrebke, bogate z dušikom. Nitrificirajoče bakterije razgradijo amoniak v teh odpadkih in ga pretvorijo v nitrate. Denitrificirajoče bakterije nato razgradijo te nitrate v plin dušika. Ti koraki so osnova dušikovega kroga.
