Земљина атмосфера састоји се од слојевитог слоја гасова који се држе на месту због гравитације. Главни састојци атмосферског ваздуха су азот, кисеоник, аргон и угљен-диоксид. Азот и угљен-диоксид су неопходни за живот на Земљи и витални су за бројне биохемијске процесе као што су фотосинтеза и синтеза протеина.
Азот је елемент у периодном систему са атомским бројем 7. Језгро азота састоји се од 7 протона са позитивним наелектрисањем и обично 7 неутрона са нултим наелектрисањем. Да би се одржао електрички неутралан атом, 7 електрона кружи око језгра у низу шкољки. Азот је гас собне температуре и чини око 78 процената Земљине атмосфере. Азот се течно тече на -210,1 степени Целзијуса (-346,18 степени Фахренхеита), што омогућава његову употребу у криогеним експериментима и активностима.
Угљен-диоксид је једињење са молекулом који се састоји од једног атома угљеника и два атома кисеоника. Електрони у спољној овојници атома угљеника и кисеоника деле се да би створили ковалентне везе. Угљен-диоксид је гас на собној температури и чини 0,03 процента Земљине атмосфере. Угљен-диоксид је необичан по томе што ствара чврсту супстанцу без проласка кроз течну фазу при нормалном атмосферском притиску. Овај процес је познат као сублимација. Угљен-диоксид се сублимира и ствара сув лед на температури од -56 степени Целзијуса (-68,8 степени Фахренхеита).
Фотосинтеза, процес којим биљке претварају сунчеву светлост у глукозни шећер, представља једну од најважнијих биолошких реакција која одвија се на Земљи и чини основу живота на дну ланца исхране, пружајући сложенијим организмима, попут сисара, залиху храна. Фотосинтеза захтева природни извор угљеника да би се синтетизовала глукоза; то добија из атмосферског гаса угљен-диоксида. Једначина хемијске речи за фотосинтезу је:
Азот је неопходан градивни елемент основних биолошких молекула, као што су протеини и нуклеинске киселине. Азотни гас из атмосфере заузимају бактерије које „фиксирају азот“. Током овог процеса, гасови азота и водоника претварају се у амонијак који биљке могу директно апсорбовати. Алтернативно, амонијак се у тлу распада у нитрате које биљке такође могу да апсорбују. Биљке користе амонијак и нитрате за синтезу биохемијских молекула, као што су хлорофил, протеини и нуклеинске киселине. Азот се може пустити назад у атмосферу кроз бројне процесе. Денитрификационе бактерије које живе у тлу могу претворити нитрате у гас азота. Алтернативно, животиње конзумирају молекуле који садрже азот у биљкама, што резултира изметом богатим азотом. Нитрификујуће бактерије разграђују амонијак у овом отпаду, претварајући га у нитрате. Денитрификујуће бактерије тада разграђују те нитрате до гаса азота. Ови кораци чине основу циклуса азота.