For at optage nitrogen, er vi afhængige af, at N₂ fra luften bliver omdannet til nyttige forbindelser som fx ammonium (NH₄⁺), nitrat (NO₃^–), nitrogenoxid (NO) og nitrogendioxid (NO₂). Processen ved sådanne omdannelser kalder vi nitrogen-binding eller nitrogen-fiksering. Det sker på land, men det sker også i havet.

Det første led i en fødekæde kalder man en primærproducent. Planter, alger og cyanobakterier er alle primærproducenter, der kan udføre fotosyntese – altså opbygge organisk stof ved at anvende lysenergi. Nedtrængning af lys bestemmer derfor, hvor der kan foregå primærproduktion i havet. Men cyanobakterier kan et trick mere. De har specialiseret sig til at kunne overleve ved lav lysintensitet og udnytte lysenergien mere effektivt end de andre primærproducenter. De kan derfor overleve i de dybere, mørkere vandlag. Og samtidig kan de omdanne frit nitrogen til stoffer, de kan vokse af og give videre i fødekæder.

Overfladevand er mere lyst og varmt end dybere nede. Det skaber lagdeling i vandmasserne. I havområder er nitrogenfiksering derfor en helt nødvendig proces for at organismer kan få nitrogenforbindelser.

Lagdelingen kan variere. Den afhænger blandt andet af lysmængden og i hvor stort omfang, der sker en opblanding af vandmasserne ved havstrøm, vind og bølger.

I havets dyb har primærproducenterne generelt svært ved at få fat i nitrat, som er en nitrogenforbindelse. Her er der ikke lys nok til at primærproducenter kan danne organisk stof ved fotosyntesen. Det eneste tilgængelige nitrat stammer fra døde organismer, der daler ned gennem vandmasserne.

I de næringsfattige vandmasser kan nitrogenfikserende cyanobakterier bidrage med biologisk tilgængelige nitrogenforbindelser til fødekæderne.

Det har længe været opfattelsen, at nitrogenfiksering fandt sted i netop disse næringsfattige områder, men på Galatheaekspeditionen blev nitrogenfiksering påvist i et af de næringsrigeste havområder i verden: Nemlig langs kysten af det nordlige Chile og Peru. Her er en havstrøm, Humboldtstrømmen, der løber fra syd mod nord op langs kysten. De tunge, kolde vandmasser løber i stor dybde, men ud for det nordlige Chile og Peru bliver de presset op til havoverfladen. En sådan opstrømning af vand fra dybere lag kalder vi upwelling. Havområder ved upwelling bliver derfor et næringsrigt miljø med gode livsbetingelser.

I havområdet udfor Chile og Peru blev nitrogenfiksering påvist på Galatheaekspeditionen. Det skete ved at man tilsatte mærket N₂ til vandprøver fra både det iltede overfladevand og det iltfrie dybe vand. Mærket N₂ betyder at man kender isotopen af N, som man så senere kan påvise. Det gen, som gør organismerne i stand til at fiksere N₂ blev påvist i en række cyanobakterier, bakterier og arkæer.

En anden måde, forskerne viste forekomst af nitrogenfiksering på, var ved at se på fordelingen af isotoperne i nitrogenforbindelserne. Forholdet mellem den tunge 15N-isotop og den lettere 14N-isotop i nitrogenforbindelser er forskellig, alt efter om nitrogenfikseringen er sket i dybet i havet eller længere oppe i vandsøjlen. Denne metode er mindre præcis, men har den fordel, at man kan se, at der har fundet nitrogenfiksering sted, selv om processen ikke længere er aktiv. Man kan sige, at nitrogenfikseringen har sat en slags fingeraftryk på nitrogenforbindelserne.

Isotopforholdet tyder på, at nitrogenfikseringen i området ved Chile og Peru er større end det, som direkte kan måles med mærket N₂. I dette havområde, er nitrat fra dybe vandlag langt den største kilde til den høje produktion af næringsstoffer.

Kendskab til nitrogenfiksering er vigtig for generelt at forstå liv. Kendskabet er også væsentligt for i fremtiden at blive bedre til at udnytte cyanobakteriernes specialiserede evne, som gør dem i stand til at fiksere N₂ – ja måske kan vi blive bedre til at udnytte den store mængde af N₂ i vores atmosfære.

Selvom nitrogen er nødvendigt for alt liv, kan det også blive en trussel for miljøet, hvis der udledes flere nitrogenforbindelser end der bliver omdannet. Det hele handler om en balance – et kredsløb.