A szervezetek két általános módszerrel jutnak energiához: fény vagy kémiai oxidáció útján. A produktív szervezetek, az úgynevezett autotrófok a fényt vagy a kémiai anyagokat energiában gazdag szerves vegyületekké alakítják, kezdve az energiaszegény szén-dioxiddal (CO2). Ezek az autotrófok energiát biztosítanak a többi szervezet, a heterotrófok számára. A heterotrófok olyan szervezetek, amelyek energiájukat a már meglévő szerves molekulák, vagyis a táplálék ellenőrzött lebontásával nyerik. Az ember, akárcsak a legtöbb más állat, gomba, protista és baktérium, heterotróf.

Autotróf szervezetek gyakran elsődleges termelők az ökoszisztémájukban. Hasznos szabad energiájukat a tápláléktól eltérő forrásokból nyerik: vagy a napfény energiájából (fotoautotrófok), vagy oxidatív kémiai reakciókból (kemoautotrófok). Ez utóbbi anyagcseremód azokra az életformákra vonatkozik, amelyek oxigénnel kombinált szervetlen anyagokat (ammónia , metán vagy hidrogén-szulfid ) használnak energiatermelésükhöz. Csak néhány baktérium képes szervetlen vegyi anyagok “elégetésével” energiát nyerni.

A zöld növények tipikus fotoautotrófok. A növények elnyelik a napfényt, hogy ATP-t termeljenek, és a vizet oxigénre és hidrogénre bontják. A vízmolekula, a H2O hidrogénre és oxigénre történő lebontásához sok energiára van szükség. A vízből származó hidrogén ezután a “sötét reakciók” során szén-dioxiddal, CO2-vel egyesül. Ennek eredményeként olyan energiában gazdag szerves molekulák keletkeznek, mint a cukrok, aminosavak és nukleotidok. Az oxigénből O2 gáz lesz, amely hulladékként kerül vissza a légkörbe. Az állatok, amelyek szigorúan heterotrófok, nem tudnak szén-dioxidból, napfényből és kevés sóval kiegészített vízből élni, mint a növények. Be kell lélegezniük a légköri oxigént. Az állatok az oxigént kémiailag hidrogénatomokkal kötik össze, amelyeket a táplálékukból – vagyis az olyan szerves anyagokból, mint a cukor, a fehérje és az aminosavak – vonnak el. Az állatok az oxigénlégzés hulladéktermékeként vizet bocsátanak ki. Az állatok, mint minden heterotróf élőlény, szerves anyagokat használnak egyedüli szénforrásként. A szénnek ez az átalakulása példát szolgáltat az ökológiai körforgás egyik aspektusára, amelyben egy szükséges elem különböző típusú szervezeteken áramlik keresztül, miközben oxidációs állapotát CO2-ről (CH2O)n-re és vissza CO2-ra változtatja.

A metabolikus ciklusok általában – a hasznos energia és a táplálékmolekulák szervezetek általi kinyerése a környezeti forrásanyagból – oxidációs-redukciós reakciókkal írhatók le. Az oxigénlégzés esetében a levegőből származó oxigénmolekulák végül glükózból vagy aminosavakból vesznek fel elektronokat. Az elektronok iránt nagy affinitással rendelkező oxigént elektronakceptornak, míg a glükózt vagy más cukor- vagy szerves molekulát elektrondonornak nevezzük. Az állati légzés az oxidációs-redukciós reakciók prototípusa, de természetesen nem minden oxidációs-redukciós reakció (vagy “redox-reakció”, ahogyan gyakran nevezik) tartalmaz oxigént. Számos más szervetlen vegyületet is lélegeztetnek, vagy “lélegeztetnek” a sejtek szintjén. Az oxigén mellett a biológiai elektronakceptorok közé tartozik a nitrát, a nitrit, a szulfát, a karbonát, az elemi kén és a metanol. Biológiai elektrondonorok (a cukron és az aminosavakon kívül) a hidrogén, a nitrogénvegyületek (mint ammónia, nitrit), a szulfid és a metán. Ahhoz, hogy az akceptor-donor átalakulások tartósan rendelkezésre álljanak a kemoautotrófok és heterotrófok számára, ökológiai ciklusokra van szükség. Geológiailag rövid ideig az organizmusok véges anyagkészletből élhetnek; az élet hosszú távú fennmaradásához azonban az anyag dinamikus körforgásának kell érvényesülnie, amelyben egymást kiegészítő organizmustípusok vesznek részt. Ha más bolygókon létezik élet, akkor a szükséges elemeknek és a folyékony víznek is körforgásban kell lennie. Az ilyen átalakulások keresése az egyik módszer a földönkívüli élet kimutatására.

Az energia mellett minden életformának szüksége van szénforrásokra. Az autotróf szervezetek (kemoszintetikus és fotoszintetikus baktériumok, algák és növények) ezt az alapvető elemet szén-dioxidból nyerik. A heterotrófok előre kialakított szerves vegyületeket használnak szénforrásként. Az autotrófok közül sok sejttípus nem függ a fénytől az ATP előállításához; azok, amelyek fény nélkül is képesek erre, a kemoautotróf baktériumok, köztük a metanogének, az ammóniaoxidálók, a szulfidoxidálók, a hidrogénoxidálók és néhány homályos egyéb. Valójában legalább öt, egymástól teljesen különböző anyagcsere-útvonal fejlődött ki a szén-dioxid-gáz felhasználására. Az egyik a fent leírt oxigénes útvonal, amelyet a növények, algák és cianobaktériumok használnak: a Calvin-Benson-féle sötét reakciók. A többi, homályosabb útvonal a foszfenolpiruvát (PEP), a szukcinát és a metanogén útvonalak. Mindegyiküknek az energiaszegény szén-dioxidot kell bevinniük a szervezetek energiában gazdag szén-hidrogénvegyület anyagcseréjébe. A Földön minden élet ezektől az autotróf reakcióktól függ, amelyek szén-dioxiddal vagy annak megfelelőjével kezdődnek. Az autotróf anyagcserében szénforrásként használt ekvivalensek közé tartozik a karbonátion, a bikarbonátion és a szénmonoxid. Mint általában, az anyagcsere-variációk és a virtuozitás tekintetében a baktériumok repertoárja sokkal változatosabb, mint az eukariótáké – vagyis a növényeké, az állatoké és más, sejtmaggal rendelkező sejtekből álló szervezeteké. Általában véve a sejtmaggal rendelkező szervezetek, az eukarióták vagy fotolitoautotrófok (azaz algák és növények), amelyek fényből vagy ásványi anyagokból nyerik az energiát, vagy kemo-organoheterotrófok (állatok, gombák és a legtöbb protista), amelyek előre kialakított szerves vegyületekből (táplálékból) nyerik az energiát és a szenet.