Les organismes acquièrent de l’énergie par deux méthodes générales : par la lumière ou par oxydation chimique. Les organismes productifs, appelés autotrophes, convertissent la lumière ou les produits chimiques en composés organiques riches en énergie en commençant par le dioxyde de carbone (CO2), pauvre en énergie. Ces autotrophes fournissent de l’énergie aux autres organismes, les hétérotrophes. Les hétérotrophes sont des organismes qui acquièrent leur énergie par la décomposition contrôlée de molécules organiques préexistantes, ou nourriture. Les êtres humains, comme la plupart des autres animaux, champignons, protistes et bactéries, sont des hétérotrophes.

Les organismes autotrophes sont souvent des producteurs primaires dans leurs écosystèmes. Ils acquièrent leur énergie libre utile à partir de sources autres que la nourriture : soit à partir de l’énergie de la lumière solaire (photoautotrophes), soit à partir de réactions chimiques oxydatives (chimioautotrophes). Ce dernier mode de métabolisme fait référence aux formes de vie qui utilisent des matières inorganiques (ammoniac, méthane ou sulfure d’hydrogène) combinées à l’oxygène pour générer leur énergie. Seules certaines bactéries sont capables d’obtenir de l’énergie en « brûlant » des produits chimiques inorganiques.

Les plantes vertes sont des photoautotrophes typiques. Les plantes absorbent la lumière du soleil pour générer de l’ATP et pour dissocier l’eau en oxygène et en hydrogène. La décomposition de la molécule d’eau, H2O, en hydrogène et en oxygène nécessite beaucoup d’énergie. L’hydrogène de l’eau est ensuite combiné dans les « réactions sombres » avec le dioxyde de carbone, CO2. Le résultat est la production de molécules organiques riches en énergie comme les sucres, les acides aminés et les nucléotides. L’oxygène devient le gaz O2, qui est rejeté dans l’atmosphère sous forme de déchets. Les animaux, qui sont strictement hétérotrophes, ne peuvent pas vivre de dioxyde de carbone, de lumière solaire et d’eau avec quelques sels comme le font les plantes. Ils doivent respirer l’oxygène de l’atmosphère. Les animaux combinent chimiquement l’oxygène avec les atomes d’hydrogène qu’ils retirent de leur nourriture, c’est-à-dire des matières organiques telles que le sucre, les protéines et les acides aminés. Les animaux rejettent de l’eau comme déchet de la respiration de l’oxygène. Les animaux, comme tous les hétérotrophes, utilisent les matières organiques comme unique source de carbone. Cette conversion du carbone fournit un exemple d’un aspect d’un cycle écologique dans lequel un élément requis circule à travers différents types d’organismes alors qu’il change d’état d’oxydation, passant du CO2 au (CH2O)n et revenant au CO2.

Les cycles métaboliques en général – l’extraction par les organismes d’énergie utile et de molécules alimentaires à partir de la matière source environnementale – peuvent être décrits en termes de réactions d’oxydation-réduction. Dans le cas de la respiration oxygénique, les molécules d’oxygène de l’air acceptent des électrons provenant finalement du glucose ou des acides aminés. L’oxygène, qui a une grande affinité pour les électrons, est appelé accepteur d’électrons, tandis que le glucose, ou d’autres sucres ou molécules organiques, est un donneur d’électrons. La respiration animale est le prototype des réactions d’oxydoréduction, mais toutes les réactions d’oxydoréduction (ou « réactions redox », comme on les appelle souvent) ne font pas intervenir l’oxygène. De nombreux autres composés inorganiques sont respirés, ou « respirés », au niveau de la cellule. Outre l’oxygène, les accepteurs d’électrons biologiques comprennent le nitrate, le nitrite, le sulfate, le carbonate, le soufre élémentaire et le méthanol. Les donneurs d’électrons biologiques (autres que le sucre et les acides aminés) comprennent l’hydrogène, les composés azotés (ammoniac, nitrite), le sulfure et le méthane. Pour que les transformations accepteur-donneur soient disponibles pour les chimioautotrophes et les hétérotrophes sur des périodes de temps prolongées, des cycles écologiques sont nécessaires. Pendant des périodes géologiquement courtes, les organismes peuvent vivre d’un approvisionnement limité en matière ; cependant, pour que la vie se poursuive à long terme, un cycle dynamique de la matière impliquant des types d’organismes complémentaires doit prévaloir. Si la vie existe sur d’autres planètes, les éléments requis et l’eau liquide doivent être en cycle. La recherche de telles transformations constitue une méthode de détection de la vie extraterrestre.

En plus de l’énergie, toutes les formes de vie ont besoin de sources de carbone. Les organismes autotrophes (bactéries chimiosynthétiques et photosynthétiques, algues et plantes) tirent cet élément essentiel du dioxyde de carbone. Les hétérotrophes utilisent des composés organiques préformés comme source de carbone. Parmi les autotrophes, de nombreux types de cellules ne dépendent pas de la lumière pour générer de l’ATP ; celles qui s’en passent sont les bactéries chimioautotrophes, notamment les méthanogènes, les oxydants d’ammoniac, les oxydants de sulfure, les oxydants d’hydrogène et quelques autres obscurs. En effet, au moins cinq voies métaboliques entièrement différentes les unes des autres ont évolué pour utiliser le gaz carbonique. L’une d’entre elles est la voie oxygénique décrite ci-dessus, qui est utilisée par les plantes, les algues et les cyanobactéries : les réactions obscures de Calvin-Benson. D’autres voies, plus obscures, comprennent les voies du phosphoénolpyruvate (PEP), du succinate et du méthanogène. Elles doivent toutes amener le dioxyde de carbone, pauvre en énergie, dans le métabolisme des composés carbone-hydrogène, riche en énergie, des organismes. Toute la vie sur Terre dépend de ces réactions autotrophes qui commencent par le dioxyde de carbone ou son équivalent. Les équivalents comme sources de carbone dans le métabolisme autotrophe comprennent l’ion carbonate, l’ion bicarbonate et le monoxyde de carbone. Comme d’habitude, en ce qui concerne la variation et la virtuosité métaboliques, le répertoire bactérien est beaucoup plus diversifié que celui des eucaryotes, c’est-à-dire des plantes, des animaux et des autres organismes composés de cellules avec des noyaux. En général, les organismes à noyau, les eucaryotes, sont soit des photolithoautotrophes (c’est-à-dire les algues et les plantes) qui tirent leur énergie de la lumière ou des minéraux, soit des chimio-organohétérotrophes (animaux, champignons et la plupart des protistes) qui tirent leur énergie et leur carbone de composés organiques préformés (nourriture).