Jordens atmosfär består av ett stratifierat lager av gaser som hålls på plats på grund av tyngdkraften. De viktigaste beståndsdelarna i atmosfärisk luft är kväve, syre, argon och koldioxid. Kväve och koldioxid är båda väsentliga för livet på jorden och är viktiga för ett antal biokemiska processer som fotosyntes och proteinsyntes.
Kväve är ett element i det periodiska systemet med ett atomnummer på 7. Kvävekärnan består av 7 protoner med en positiv laddning och vanligtvis 7 neutroner med nolladdning. För att upprätthålla en elektriskt neutral atom kretsar 7 elektroner kärnan i en serie skal. Kväve är en gas vid rumstemperatur och utgör cirka 78 procent av jordens atmosfär. Kväve smälter vid -210,1 grader Celsius (-346,18 grader Fahrenheit), vilket möjliggör dess användning i kryogena experiment och aktiviteter.
Koldioxid är en förening med en molekyl som består av en enda kolatom och två syreatomer. Elektroner i det yttre skalet av kol- och syreatomerna delas för att bilda kovalenta bindningar. Koldioxid är en gas vid rumstemperatur och utgör 0,03 procent av jordens atmosfär. Koldioxid är ovanligt genom att det bildar ett fast ämne utan att passera genom en flytande fas vid normalt atmosfärstryck. Denna process är känd som sublimering. Koldioxid sublimerar för att bilda torris vid en temperatur av -56 grader Celsius (-68,8 grader Fahrenheit).
Fotosyntes, processen genom vilken växter omvandlar solljus till glukos socker, utgör en av de mest grundläggande biologiska reaktionerna som äger rum på jorden och utgör grunden för livet längst ner i livsmedelskedjan och ger mer komplexa organismer, såsom däggdjur, tillgång på mat. Fotosyntes kräver en naturlig kolkälla för att syntetisera glukos. det erhåller detta från atmosfärisk koldioxidgas. Den kemiska ordekvationen för fotosyntes är:
Kväve är en viktig byggsten för grundläggande biologiska molekyler, såsom proteiner och nukleinsyror. Kvävegas från atmosfären fångas upp av "kvävebindande" bakterier. Under denna process omvandlas kväve- och vätgas till ammoniak som växter kan absorbera direkt. Alternativt förfaller ammoniak i jorden till nitrater som växter också kan absorbera. Växter använder ammoniak och nitrater för att syntetisera biokemiska molekyler, såsom klorofyll, proteiner och nukleinsyror. Kväve kan frigöras tillbaka till atmosfären via ett antal processer. Denitrifierande bakterier som lever i jord kan omvandla nitrater till kvävgas. Alternativt konsumeras kväveinnehållande molekyler i växter av djur, vilket resulterar i kväverik avföring. Kvävande bakterier bryter ner ammoniak i detta avfall och omvandlar det till nitrater. Denitrifierande bakterier bryter sedan ner dessa nitrater till kvävgas. Dessa steg utgör grunden för kvävecykeln.