Organismit hankkivat energiaa kahdella yleisellä menetelmällä: valon tai kemiallisen hapettumisen avulla. Tuotantokykyiset eliöt, joita kutsutaan autotrofeiksi, muuttavat valoa tai kemikaaleja energiarikkaiksi orgaanisiksi yhdisteiksi alkaen energiapuutteisesta hiilidioksidista (CO2). Nämä autotrofit tuottavat energiaa muille eliöille, heterotrofeille. Heterotrofit ovat eliöitä, jotka saavat energiansa hajottamalla hallitusti jo olemassa olevia orgaanisia molekyylejä eli ravintoa. Ihminen, kuten useimmat muutkin eläimet, sienet, alkueläimet ja bakteerit, ovat heterotrofeja.

Autotrofiset eliöt ovat ekosysteemiensä primäärituottajia. Ne saavat käyttökelpoisen vapaan energiansa muista lähteistä kuin ravinnosta: joko auringonvalon energiasta (fotoautotrofit) tai oksidatiivisista kemiallisista reaktioista (kemoautotrofit). Jälkimmäinen aineenvaihduntatapa viittaa elämänmuotoihin, jotka käyttävät energiansa tuottamiseen epäorgaanisia aineita (ammoniakkia , metaania tai rikkivetyä) yhdistettynä happeen. Vain jotkut bakteerit pystyvät saamaan energiaa ”polttamalla” epäorgaanisia kemikaaleja.

Vihreät kasvit ovat tyypillisiä fotoautotrofeja. Kasvit imevät auringonvaloa tuottaakseen ATP:tä ja hajottaakseen vettä hapeksi ja vedyksi. Vesimolekyylin, H2O:n, hajottaminen vedyksi ja hapeksi vaatii paljon energiaa. Vedestä peräisin oleva vety yhdistyy sitten ”pimeässä reaktiossa” hiilidioksidin, CO2, kanssa. Tuloksena syntyy runsaasti energiaa sisältäviä orgaanisia molekyylejä, kuten sokereita, aminohappoja ja nukleotideja. Hapesta muodostuu kaasu O2, joka vapautuu jätteenä takaisin ilmakehään. Eläimet, jotka ovat tiukasti heterotrofisia, eivät voi elää hiilidioksidilla, auringonvalolla ja vedellä, jossa on vähän suoloja, kuten kasvit. Niiden on hengitettävä ilmakehän happea. Eläimet yhdistävät hapen kemiallisesti vetyatomeihin, jotka ne irrottavat ravinnostaan eli orgaanisista aineista, kuten sokerista, proteiineista ja aminohapoista. Eläimet vapauttavat vettä happihengityksen jätetuotteena. Eläimet, kuten kaikki heterotrofiset eläimet, käyttävät orgaanisia aineita ainoana hiilen lähteenään. Tämä hiilen muuntuminen on esimerkki ekologisen kiertokulun näkökohdasta, jossa tarvittava alkuaine kulkee erityyppisten eliöiden läpi muuttaessaan hapetuslämpötilaansa CO2:sta (CH2O)n:ksi ja takaisin CO2:ksi.

Metaboliset syklit yleensä – eliöiden käyttökelpoisen energian ja ravintomolekyylien talteenotto ympäristön lähdemateriaalista – voidaan kuvata hapettumis-pelkistymisreaktioilla. Happihengityksessä ilman happimolekyylit ottavat elektroneja vastaan lopulta glukoosista tai aminohapoista. Happea, jolla on suuri affiniteetti elektroneihin, kutsutaan elektroniakseptoriksi, kun taas glukoosi tai muut sokeri- tai orgaaniset molekyylit ovat elektronien luovuttajia. Eläinten hengitys on hapettumis-pelkistymisreaktioiden prototyyppi, mutta kaikki hapettumis-pelkistymisreaktiot (tai ”redox-reaktiot”, kuten niitä usein kutsutaan) eivät todellakaan sisällä happea. Monet muut epäorgaaniset yhdisteet hengitetään tai ”hengitetään” solutasolla. Hapen lisäksi biologisia elektroniakseptoreita ovat nitraatti, nitriitti, sulfaatti, karbonaatti, alkuainerikki ja metanoli. Biologisia elektroninluovuttajia (muita kuin sokeria ja aminohappoja) ovat vety, typpiyhdisteet (ammoniakki, nitriitti), sulfidi ja metaani. Jotta kemoautotrofiset ja heterotrofiset eläimet voisivat käyttää akseptori- ja donorimuunnoksia pitkäkestoisesti, tarvitaan ekologisia syklejä. Geologisesti lyhyiden ajanjaksojen ajan eliöt voivat elää rajallisesta ainemäärästä, mutta jotta elämä voisi jatkua pitkällä aikavälillä, aineen dynaamisen kierron, johon osallistuu toisiaan täydentäviä eliötyyppejä, on oltava vallitsevana. Jos muilla planeetoilla on elämää, tarvittavien alkuaineiden ja nestemäisen veden on kierrätettävä. Tällaisten muunnosten etsiminen on yksi keino havaita maan ulkopuolista elämää.

Energian lisäksi kaikki elämänmuodot tarvitsevat hiililähteitä. Autotrofiset eliöt (kemosynteettiset ja fotosynteettiset bakteerit, levät ja kasvit) saavat tämän välttämättömän elementin hiilidioksidista. Heterotrofiset eliöt käyttävät hiilen lähteenä valmiita orgaanisia yhdisteitä. Autotrofisten eliöiden joukossa monet solutyypit eivät ole riippuvaisia valosta ATP:n tuottamiseksi; ne, jotka tekevät sen ilman valoa, ovat kemoautotrofisia bakteereja, joihin kuuluvat metanogeenit, ammoniakin hapettimet, sulfidien hapettimet, vedyn hapettimet ja muutamat hämärät muut. Ainakin viisi toisistaan täysin erilaista aineenvaihduntatietä on kehittynyt käyttämään hiilidioksidikaasua. Yksi niistä on edellä kuvattu hapellinen reitti, jota kasvit, levät ja syanobakteerit käyttävät: Calvin-Bensonin pimeät reaktiot. Muita tuntemattomampia reittejä ovat fosfoenolipyruvaatti- (PEP), sukkinaatti- ja metanogeenireitit. Niiden kaikkien on tuotava energiapuutteinen hiilidioksidi organismien energiarikkaaseen hiili- ja vetyyhdisteiden aineenvaihduntaan. Kaikki elämä maapallolla on riippuvainen näistä autotrofisista reaktioista, jotka alkavat hiilidioksidista tai sen vastineesta. Ekvivalentteja hiililähteitä autotrofisessa aineenvaihdunnassa ovat karbonaatti-ioni, bikarbonaatti-ioni ja hiilimonoksidi. Kuten tavallista, aineenvaihdunnan vaihtelun ja virtuoosisuuden osalta bakteerien repertuaari on huomattavasti monipuolisempi kuin eukaryoottien – eli kasvien, eläinten ja muiden ydinsoluista koostuvien organismien – repertuaari. Yleisesti ottaen tuman omaavat eliöt, eukaryootit, ovat joko fotolitoautotrofeja (eli levät ja kasvit), jotka saavat energiansa valosta tai mineraaleista, tai kemo-orgaanisia heterotrofeja (eläimet, sienet ja useimmat alkueläimet), jotka saavat energiansa ja hiilensä valmiiksi muodostetuista orgaanisista yhdisteistä (ravinnosta).