ชั้นบรรยากาศของโลกประกอบด้วยชั้นก๊าซที่แบ่งเป็นชั้นๆ ที่ยึดอยู่กับที่เนื่องจากแรงโน้มถ่วง องค์ประกอบหลักของอากาศในบรรยากาศ ได้แก่ ไนโตรเจน ออกซิเจน อาร์กอน และคาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์มีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก และมีความสำคัญต่อกระบวนการทางชีวเคมีหลายอย่าง เช่น การสังเคราะห์ด้วยแสงและการสังเคราะห์โปรตีน
ไนโตรเจนเป็นธาตุในตารางธาตุที่มีเลขอะตอม 7 นิวเคลียสของไนโตรเจนประกอบด้วยโปรตอน 7 ตัวที่มีประจุบวก และโดยปกติ 7 นิวตรอนที่มีประจุเป็นศูนย์ เพื่อรักษาอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้า อิเล็กตรอน 7 ตัวจะโคจรรอบนิวเคลียสเป็นชุดของเปลือกหุ้ม ไนโตรเจนเป็นก๊าซที่อุณหภูมิห้องและคิดเป็นร้อยละ 78 ของชั้นบรรยากาศของโลก ไนโตรเจนเหลวที่อุณหภูมิ -210.1 องศาเซลเซียส (-346.18 องศาฟาเรนไฮต์) ซึ่งช่วยให้สามารถใช้ในการทดลองและกิจกรรมแช่แข็งได้
คาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารประกอบที่มีโมเลกุลประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนเดี่ยวและอะตอมออกซิเจนสองอะตอม อิเล็กตรอนในเปลือกนอกของอะตอมของคาร์บอนและออกซิเจนจะถูกใช้ร่วมกันเพื่อสร้างพันธะโควาเลนต์ คาร์บอนไดออกไซด์เป็นก๊าซที่อุณหภูมิห้องและคิดเป็น 0.03 เปอร์เซ็นต์ของชั้นบรรยากาศของโลก ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์นั้นผิดปกติเนื่องจากมันก่อตัวเป็นของแข็งโดยไม่ผ่านเฟสของเหลวที่ความดันบรรยากาศปกติ กระบวนการนี้เรียกว่าการระเหิด คาร์บอนไดออกไซด์จะระเหยกลายเป็นน้ำแข็งแห้งที่อุณหภูมิ -56 องศาเซลเซียส (-68.8 องศาฟาเรนไฮต์)
การสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งเป็นกระบวนการที่พืชเปลี่ยนแสงแดดเป็นน้ำตาลกลูโคส ถือเป็นหนึ่งในปฏิกิริยาทางชีววิทยาพื้นฐานที่สุดที่ เกิดขึ้นบนโลกและสร้างพื้นฐานของชีวิตที่ด้านล่างของห่วงโซ่อาหาร ทำให้สิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม มีอุปทานของ อาหาร. การสังเคราะห์ด้วยแสงต้องการแหล่งคาร์บอนตามธรรมชาติเพื่อสังเคราะห์กลูโคส มันได้สิ่งนี้จากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ สมการคำเคมีสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงคือ:
ไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบสำคัญของโมเลกุลทางชีววิทยาพื้นฐาน เช่น โปรตีนและกรดนิวคลีอิก ก๊าซไนโตรเจนจากบรรยากาศถูกจับโดยแบคทีเรียที่ "ตรึงไนโตรเจน" ในระหว่างกระบวนการนี้ ก๊าซไนโตรเจนและไฮโดรเจนจะถูกแปลงเป็นแอมโมเนียที่พืชสามารถดูดซับได้โดยตรง อีกทางหนึ่ง แอมโมเนียจะสลายตัวในดินเป็นไนเตรตที่พืชสามารถดูดซับได้เช่นกัน พืชใช้แอมโมเนียและไนเตรตในการสังเคราะห์โมเลกุลทางชีวเคมี เช่น คลอโรฟิลล์ โปรตีน และกรดนิวคลีอิก ไนโตรเจนสามารถถูกปล่อยกลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศผ่านกระบวนการต่างๆ แบคทีเรีย Denitrifying ที่อาศัยอยู่ในดินสามารถเปลี่ยนไนเตรตเป็นก๊าซไนโตรเจน อีกทางหนึ่งคือ สัตว์ที่กินโมเลกุลที่มีไนโตรเจนอยู่ภายในพืช ส่งผลให้อุจจาระที่อุดมด้วยไนโตรเจน แบคทีเรียไนตริไฟริ่งจะทำลายแอมโมเนียในของเสียนี้ และเปลี่ยนเป็นไนเตรต แบคทีเรีย Denitrrifying จะสลายไนเตรตเหล่านั้นให้เป็นก๊าซไนโตรเจน ขั้นตอนเหล่านี้เป็นพื้นฐานของวัฏจักรไนโตรเจน