Organismy získávají energii dvěma obecnými způsoby: světlem nebo chemickou oxidací. Produktivní organismy, nazývané autotrofy, přeměňují světlo nebo chemické látky na energeticky bohaté organické sloučeniny, počínaje energeticky chudým oxidem uhličitým (CO2). Tyto autotrofy poskytují energii ostatním organismům, heterotrofům. Heterotrofy jsou organismy, které získávají energii řízeným rozkladem již existujících organických molekul neboli potravy. Člověk, stejně jako většina ostatních živočichů, hub, protist a bakterií, patří mezi heterotrofy.

Autotrofní organismy jsou často primárními producenty ve svých ekosystémech. Svou užitečnou volnou energii získávají z jiných zdrojů než z potravy: buď z energie slunečního záření (fotoautotrofové), nebo z oxidačních chemických reakcí (chemoautotrofové). Druhý způsob metabolismu se týká forem života, které k výrobě energie využívají anorganické látky (amoniak , metan nebo sirovodík) v kombinaci s kyslíkem. Pouze některé bakterie jsou schopny získávat energii „spalováním“ anorganických látek.

Zelené rostliny jsou typickými fotoautotrofy. Rostliny absorbují sluneční světlo k tvorbě ATP a k disociaci vody na kyslík a vodík. Rozložení molekuly vody, H2O, na vodík a kyslík vyžaduje mnoho energie. Vodík z vody se pak v „temných reakcích“ spojuje s oxidem uhličitým, CO2. Výsledkem je produkce energeticky bohatých organických molekul, jako jsou cukry, aminokyseliny a nukleotidy. Z kyslíku se stává plyn O2, který se uvolňuje jako odpad zpět do atmosféry. Živočichové, kteří jsou striktně heterotrofní, nemohou žít z oxidu uhličitého, slunečního světla a vody s několika solemi jako rostliny. Musí dýchat atmosférický kyslík. Živočichové chemicky spojují kyslík s atomy vodíku, které odebírají ze své potravy – tedy z organických materiálů, jako je cukr, bílkoviny a aminokyseliny. Živočichové při dýchání kyslíkem uvolňují vodu jako odpadní produkt. Živočichové, stejně jako všichni heterotrofové, využívají organické materiály jako jediný zdroj uhlíku. Tato přeměna uhlíku představuje příklad aspektu ekologického cyklu, v němž potřebný prvek prochází různými typy organismů, když mění svůj oxidační stav z CO2 na (CH2O)n a zpět na CO2.

Metabolické cykly obecně – získávání užitečné energie a molekul potravy organismy ze zdrojového materiálu prostředí – lze popsat pomocí oxidačně-redukčních reakcí. V případě kyslíkového dýchání přijímají molekuly kyslíku ze vzduchu elektrony nakonec z glukózy nebo aminokyselin. Kyslík, který má velkou afinitu k elektronům, se nazývá akceptor elektronů, zatímco glukóza nebo jiné cukry či organické molekuly jsou donory elektronů. Dýchání živočichů je prototypem oxidačně-redukčních reakcí, ale rozhodně ne všechny oxidačně-redukční reakce (nebo „redoxní reakce“, jak se jim často říká) zahrnují kyslík. Mnoho dalších anorganických sloučenin je dýcháno nebo „dýchá“ na úrovni buněk. Mezi biologické akceptory elektronů kromě kyslíku patří dusičnany, dusitany, sírany, uhličitany, elementární síra a methanol. Mezi biologické donory elektronů (kromě cukru a aminokyselin) patří vodík, sloučeniny dusíku (jako amoniak, dusitany), sulfid a metan. Aby byly přeměny akceptorů a donorů dostupné chemoautotrofům a heterotrofům po delší dobu, jsou nutné ekologické cykly. Po geologicky krátká časová období mohou organismy žít z omezených zásob materiálu; pro jakékoli dlouhodobé pokračování života však musí převládat dynamický koloběh hmoty zahrnující komplementární typy organismů. Pokud existuje život na jiných planetách, musí se potřebné prvky a kapalná voda pohybovat v koloběhu. Hledání takových přeměn představuje jednu z metod detekce mimozemského života.

Kromě energie potřebují všechny formy života zdroje uhlíku. Autotrofní organismy (chemosyntetické a fotosyntetické bakterie, řasy a rostliny) získávají tento základní prvek z oxidu uhličitého. Heterotrofní organismy využívají jako zdroj uhlíku předem vytvořené organické sloučeniny. Mezi autotrofy není mnoho typů buněk závislých na světle při tvorbě ATP; ty, které se obejdou bez světla, jsou chemoautotrofní bakterie, včetně metanogenů, oxidátorů amoniaku, oxidátorů sulfidů, oxidátorů vodíku a několika nejasných dalších. Ve skutečnosti se vyvinulo nejméně pět navzájem zcela odlišných metabolických cest, které využívají plynný oxid uhličitý. Jednou z nich je výše popsaná kyslíková dráha, kterou využívají rostliny, řasy a sinice: Calvinovy-Bensonovy temné reakce. Mezi další, méně známé dráhy patří fosfoenolpyruvátová (PEP), sukcinátová a metanogenní dráha. Všechny potřebují přivést energeticky chudý oxid uhličitý do energeticky bohatého metabolismu sloučenin uhlíku a vodíku v organismech. Veškerý život na Zemi závisí na těchto autotrofních reakcích, které začínají oxidem uhličitým nebo jeho ekvivalentem. Mezi ekvivalenty jako zdroje uhlíku v autotrofním metabolismu patří uhličitanový ion, hydrogenuhličitanový ion a oxid uhelnatý. Jako obvykle, pokud jde o metabolickou variabilitu a virtuozitu, je repertoár bakterií mnohem rozmanitější než repertoár eukaryot – tedy rostlin, živočichů a dalších organismů složených z buněk s jádrem. Obecně platí, že organismy s jádrem, tedy eukaryota, jsou buď fotolithoautotrofy (tj. řasy a rostliny), které získávají energii ze světla nebo minerálů, nebo chemo-organoheterotrofy (živočichové, houby a většina protist), které získávají energii a uhlík z předem vytvořených organických sloučenin (potravy)

.