Organismen gewinnen Energie auf zwei allgemeine Arten: durch Licht oder durch chemische Oxidation. Produktive Organismen, so genannte Autotrophe, wandeln Licht oder Chemikalien in energiereiche organische Verbindungen um, ausgehend vom energiearmen Kohlendioxid (CO2). Diese Autotrophen liefern Energie für die anderen Organismen, die Heterotrophen. Heterotrophe Organismen sind Organismen, die ihre Energie durch den kontrollierten Abbau bereits vorhandener organischer Moleküle, also Nahrung, gewinnen. Der Mensch, wie auch die meisten anderen Tiere, Pilze, Protisten und Bakterien, sind Heterotrophe.

Autotrophe Organismen sind oft Primärproduzenten in ihren Ökosystemen. Sie beziehen ihre freie Nutzenergie aus anderen Quellen als der Nahrung: entweder aus der Energie des Sonnenlichts (Photoautotrophe) oder aus oxidativen chemischen Reaktionen (Chemoautotrophe). Die letztgenannte Art des Stoffwechsels bezieht sich auf Lebensformen, die anorganische Stoffe (Ammoniak, Methan oder Schwefelwasserstoff) in Verbindung mit Sauerstoff zur Energiegewinnung nutzen. Nur einige Bakterien sind in der Lage, Energie durch „Verbrennung“ anorganischer Chemikalien zu gewinnen.

Grüne Pflanzen sind typische Photoautotrophe. Pflanzen absorbieren Sonnenlicht, um ATP zu erzeugen und Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten. Die Aufspaltung des Wassermoleküls H2O in Wasserstoff und Sauerstoff erfordert viel Energie. Der Wasserstoff aus dem Wasser wird dann in den „Dunkelreaktionen“ mit Kohlendioxid, CO2, verbunden. Dabei entstehen energiereiche organische Moleküle wie Zucker, Aminosäuren und Nukleotide. Der Sauerstoff wird zu dem Gas O2, das als Abfallprodukt wieder in die Atmosphäre abgegeben wird. Tiere, die streng heterotroph sind, können nicht wie Pflanzen von Kohlendioxid, Sonnenlicht und Wasser mit ein paar Salzen leben. Sie müssen den Sauerstoff aus der Atmosphäre einatmen. Tiere verbinden den Sauerstoff chemisch mit Wasserstoffatomen, die sie aus ihrer Nahrung gewinnen, d. h. aus organischen Stoffen wie Zucker, Eiweiß und Aminosäuren. Als Abfallprodukt der Sauerstoffatmung geben die Tiere Wasser ab. Wie alle Heterotrophen nutzen Tiere organische Stoffe als einzige Kohlenstoffquelle. Diese Umwandlung von Kohlenstoff ist ein Beispiel für einen Aspekt eines ökologischen Kreislaufs, bei dem ein benötigtes Element durch verschiedene Arten von Organismen fließt, während es seinen Oxidationszustand von CO2 zu (CH2O)n und zurück zu CO2 ändert.

Metabolische Zyklen im Allgemeinen – die Gewinnung nützlicher Energie und Nahrungsmoleküle durch Organismen aus dem Ausgangsmaterial der Umwelt – können mit Hilfe von Oxidations-Reduktions-Reaktionen beschrieben werden. Bei der Sauerstoffatmung nehmen Sauerstoffmoleküle aus der Luft Elektronen aus Glukose oder Aminosäuren auf. Der Sauerstoff, der eine hohe Affinität zu Elektronen hat, wird als Elektronenakzeptor bezeichnet, während die Glukose oder andere Zucker- oder organische Moleküle als Elektronendonor fungieren. Die tierische Atmung ist der Prototyp der Oxidations-Reduktionsreaktionen, aber bei weitem nicht alle Oxidations-Reduktionsreaktionen (oder „Redoxreaktionen“, wie sie oft genannt werden) beinhalten Sauerstoff. Viele andere anorganische Verbindungen werden auf Zellebene veratmet oder „geatmet“. Zu den biologischen Elektronenakzeptoren gehören neben Sauerstoff auch Nitrat, Nitrit, Sulfat, Carbonat, elementarer Schwefel und Methanol. Zu den biologischen Elektronendonatoren (mit Ausnahme von Zucker und Aminosäuren) gehören Wasserstoff, Stickstoffverbindungen (wie Ammoniak, Nitrit), Sulfid und Methan. Damit Akzeptor-Donor-Transformationen für chemoautotrophe und heterotrophe Organismen über längere Zeiträume hinweg zur Verfügung stehen, sind ökologische Zyklen erforderlich. Für geologisch kurze Zeiträume können Organismen von einem endlichen Materialvorrat leben; für einen langfristigen Fortbestand des Lebens muss jedoch ein dynamischer Stoffkreislauf mit komplementären Organismenarten vorherrschen. Wenn es auf anderen Planeten Leben gibt, müssen die erforderlichen Elemente und das flüssige Wasser zirkulieren. Die Suche nach solchen Umwandlungen ist eine Möglichkeit, außerirdisches Leben aufzuspüren.

Neben Energie benötigen alle Lebensformen auch Kohlenstoffquellen. Autotrophe Organismen (chemosynthetische und photosynthetische Bakterien, Algen und Pflanzen) gewinnen dieses wesentliche Element aus Kohlendioxid. Heterotrophe Organismen verwenden vorgeformte organische Verbindungen als Kohlenstoffquelle. Unter den Autotrophen sind viele Zelltypen nicht auf Licht angewiesen, um ATP zu erzeugen. Diejenigen, die ohne Licht auskommen, sind die chemoautotrophen Bakterien, einschließlich der Methanogenen, Ammoniak-Oxidierer, Sulfid-Oxidierer, Wasserstoff-Oxidierer und einiger obskurer anderer. In der Tat haben sich mindestens fünf völlig unterschiedliche Stoffwechselwege zur Nutzung von Kohlendioxidgas entwickelt. Einer davon ist der oben beschriebene sauerstoffhaltige Stoffwechselweg, der von Pflanzen, Algen und Cyanobakterien genutzt wird: die Calvin-Benson-Dunkelreaktionen. Andere, weniger bekannte Wege sind der Phosphoenolpyruvat- (PEP), der Succinat- und der Methanogen-Weg. Sie alle müssen energiearmes Kohlendioxid in den energiereichen Kohlenstoff-Wasserstoff-Stoffwechsel der Organismen einbringen. Alles Leben auf der Erde hängt von diesen autotrophen Reaktionen ab, die mit Kohlendioxid oder dessen Äquivalent beginnen. Zu den Äquivalenten als Kohlenstoffquellen im autotrophen Stoffwechsel gehören das Carbonat-Ion, das Bicarbonat-Ion und das Kohlenmonoxid. Wie üblich ist das bakterielle Repertoire in Bezug auf Stoffwechselvariationen und Virtuosität weitaus vielfältiger als das der Eukaryonten, d. h. der Pflanzen, Tiere und anderer Organismen, die aus Zellen mit Zellkernen bestehen. Im Allgemeinen sind kernhaltige Organismen, also Eukaryonten, entweder Photolithoautotrophe (d. h. Algen und Pflanzen), die ihre Energie aus Licht oder Mineralien gewinnen, oder Chemoorganoheterotrophe (Tiere, Pilze und die meisten Protisten), die Energie und Kohlenstoff aus vorgeformten organischen Verbindungen (Nahrung) gewinnen.