Gli organismi acquisiscono energia con due metodi generali: dalla luce o dall’ossidazione chimica. Gli organismi produttivi, chiamati autotrofi, convertono la luce o le sostanze chimiche in composti organici ricchi di energia a partire dall’anidride carbonica (CO2), povera di energia. Questi autotrofi forniscono energia agli altri organismi, gli eterotrofi. Gli eterotrofi sono organismi che acquisiscono la loro energia tramite la scomposizione controllata di molecole organiche preesistenti, o cibo. Gli esseri umani, come la maggior parte degli altri animali, funghi, protisti e batteri, sono eterotrofi.

Gli organismi autotrofi sono spesso produttori primari nei loro ecosistemi. Essi acquisiscono la loro energia libera utile da fonti diverse dal cibo: o dall’energia della luce solare (fotoautotrofi) o da reazioni chimiche ossidative (chemioautotrofi). Quest’ultima modalità di metabolismo si riferisce a forme di vita che utilizzano materiali inorganici (ammoniaca, metano o solfuro di idrogeno) combinati con l’ossigeno per generare la loro energia. Solo alcuni batteri sono in grado di ottenere energia “bruciando” sostanze chimiche inorganiche.

Le piante verdi sono tipici fotoautotrofi. Le piante assorbono la luce del sole per generare ATP e per dissociare l’acqua in ossigeno e idrogeno. Scomporre la molecola dell’acqua, H2O, in idrogeno e ossigeno richiede molta energia. L’idrogeno dell’acqua viene poi combinato nelle “reazioni oscure” con l’anidride carbonica, CO2. Il risultato è la produzione di molecole organiche ricche di energia come zuccheri, aminoacidi e nucleotidi. L’ossigeno diventa il gas O2, che viene rilasciato come rifiuto nell’atmosfera. Gli animali, che sono strettamente eterotrofi, non possono vivere di anidride carbonica, luce solare e acqua con alcuni sali come fanno le piante. Devono respirare l’ossigeno atmosferico. Gli animali combinano l’ossigeno chimicamente con atomi di idrogeno che rimuovono dal loro cibo, cioè da materiali organici come zucchero, proteine e aminoacidi. Gli animali rilasciano acqua come prodotto di scarto della respirazione dell’ossigeno. Gli animali, come tutti gli eterotrofi, usano materiali organici come unica fonte di carbonio. Questa conversione del carbonio fornisce un esempio di un aspetto di un ciclo ecologico in cui un elemento necessario scorre attraverso diversi tipi di organismi mentre cambia il suo stato di ossidazione da CO2 a (CH2O)n e di nuovo a CO2.

I cicli metabolici in generale – l’estrazione da parte degli organismi di energia utile e di molecole di cibo da materiale ambientale – possono essere descritti in termini di reazioni di ossido-riduzione. Nel caso della respirazione dell’ossigeno, le molecole di ossigeno dell’aria accettano elettroni dal glucosio o dagli aminoacidi. L’ossigeno, che ha una grande affinità per gli elettroni, è chiamato accettore di elettroni, mentre il glucosio, o altri zuccheri o molecole organiche, è un donatore di elettroni. La respirazione animale è il prototipo delle reazioni di ossido-riduzione, ma certamente non tutte le reazioni di ossido-riduzione (o “reazioni redox”, come sono spesso chiamate) coinvolgono l’ossigeno. Molti altri composti inorganici sono respirati, o “respirati”, a livello cellulare. Gli accettori di elettroni biologici oltre all’ossigeno includono nitrato, nitrito, solfato, carbonato, zolfo elementare e metanolo. I donatori biologici di elettroni (diversi dallo zucchero e dagli aminoacidi) includono idrogeno, composti dell’azoto (come ammoniaca, nitrito), solfuro e metano. Affinché le trasformazioni di accettori-donatori siano disponibili per i chemioautotrofi e gli eterotrofi per periodi di tempo prolungati, sono necessari cicli ecologici. Per periodi di tempo geologicamente brevi, gli organismi possono vivere di una fornitura finita di materiale; tuttavia, per qualsiasi continuazione a lungo termine della vita, deve prevalere un ciclo dinamico della materia che coinvolga tipi complementari di organismi. Se la vita esiste su altri pianeti, gli elementi necessari e l’acqua liquida devono circolare. La ricerca di tali trasformazioni fornisce un metodo per rilevare la vita extraterrestre.

Oltre all’energia, tutte le forme di vita richiedono fonti di carbonio. Gli organismi autotrofi (batteri chemiosintetici e fotosintetici, alghe e piante) ricavano questo elemento essenziale dall’anidride carbonica. Gli eterotrofi usano composti organici preformati come fonte di carbonio. Tra gli autotrofi molti tipi di cellule non dipendono dalla luce per generare ATP; quelli che lo fanno senza luce sono i batteri chemioautotrofi, compresi i metanogeni, gli ossidatori di ammoniaca, gli ossidatori di solfuro, gli ossidatori di idrogeno e pochi altri oscuri. In effetti, almeno cinque vie metaboliche completamente diverse l’una dall’altra si sono evolute per utilizzare l’anidride carbonica gassosa. Uno è il percorso ossigenico descritto sopra, che è usato da piante, alghe e cianobatteri: le reazioni oscure di Calvin-Benson. Altri percorsi più oscuri includono il fosfoenolpiruvato (PEP), il succinato e il metanogeno. Tutte devono portare l’anidride carbonica, povera di energia, nel metabolismo dei composti di carbonio-idrogeno, ricco di energia, degli organismi. Tutta la vita sulla Terra dipende da queste reazioni autotrofiche che iniziano con l’anidride carbonica o il suo equivalente. Gli equivalenti come fonti di carbonio nel metabolismo autotrofico includono lo ione carbonato, lo ione bicarbonato e il monossido di carbonio. Come al solito, per quanto riguarda la variazione metabolica e la virtuosità, il repertorio batterico è molto più vario di quello degli eucarioti, cioè piante, animali e altri organismi composti da cellule con nucleo. In generale, gli organismi nucleati, gli eucarioti, sono o fotolitoautotrofi (cioè alghe e piante) che ricavano energia dalla luce o dai minerali o chemio-organoeterotrofi (animali, funghi e la maggior parte dei protisti) che ricavano energia e carbonio da composti organici preformati (cibo).