Organismen verkrijgen energie op twee algemene manieren: door licht of door chemische oxidatie. Productieve organismen, autotrofen genoemd, zetten licht of chemicaliën om in energierijke organische verbindingen, te beginnen met het energiearme koolstofdioxide (CO2). Deze autotrofen leveren energie voor de andere organismen, de heterotrofen. Heterotrofen zijn organismen die hun energie verkrijgen door de gecontroleerde afbraak van reeds bestaande organische moleculen, oftewel voedsel. De mens is, net als de meeste andere dieren, schimmels, protisten en bacteriën, heterotroof.

Autotrofe organismen zijn vaak primaire producenten in hun ecosystemen. Zij verkrijgen hun nuttige vrije energie uit andere bronnen dan voedsel: hetzij uit de energie van zonlicht (foto-autotrofen), hetzij uit oxidatieve chemische reacties (chemo-autotrofen). Onder deze laatste vorm van metabolisme worden levensvormen verstaan die anorganische stoffen (ammoniak, methaan of waterstofsulfide) in combinatie met zuurstof gebruiken om hun energie op te wekken. Alleen sommige bacteriën zijn in staat energie te verkrijgen door anorganische chemicaliën te “verbranden”.

Groene planten zijn typische foto-autotrofen. Planten absorberen zonlicht om ATP te genereren en water te ontleden in zuurstof en waterstof. Om de watermolecule, H2O, in waterstof en zuurstof te ontleden is veel energie nodig. De waterstof uit water wordt vervolgens in de “donkere reacties” gecombineerd met kooldioxide, CO2. Het resultaat is de productie van energierijke organische moleculen zoals suikers, aminozuren en nucleotiden. De zuurstof wordt het gas O2, dat als afvalstof weer in de atmosfeer terechtkomt. Dieren, die strikt heterotroof zijn, kunnen niet leven van kooldioxide, zonlicht en water met een paar zouten, zoals planten dat doen. Zij moeten de zuurstof uit de atmosfeer inademen. Dieren combineren zuurstof chemisch met waterstofatomen die ze uit hun voedsel halen, dat wil zeggen uit organische materialen zoals suiker, eiwitten en aminozuren. Dieren laten water los als afvalproduct van de zuurstofademhaling. Dieren, zoals alle heterotrofen, gebruiken organische materialen als hun enige bron van koolstof. Deze omzetting van koolstof is een voorbeeld van een aspect van een ecologische cyclus waarin een vereist element door verschillende soorten organismen stroomt terwijl het zijn oxidatietoestand verandert van CO2 naar (CH2O)n en terug naar CO2.

Metabolische cycli in het algemeen – de extractie door organismen van bruikbare energie en voedingsmoleculen uit omgevingsbronmateriaal – kunnen worden beschreven in termen van oxidatie-reductiereacties. In het geval van zuurstofademhaling accepteren zuurstofmoleculen uit de lucht elektronen van uiteindelijk glucose of aminozuren. De zuurstof, die een grote affiniteit voor elektronen heeft, wordt een elektronenacceptor genoemd, terwijl de glucose, of andere suiker of organische moleculen, een elektronendonor zijn. De ademhaling bij dieren is het prototype van de oxidatiereductiereacties, maar zeker niet bij alle oxidatiereductiereacties (of “redoxreacties”, zoals ze vaak worden genoemd) is zuurstof betrokken. Veel andere anorganische verbindingen worden op celniveau uitgeademd. Biologische elektronenacceptoren naast zuurstof zijn nitraat, nitriet, sulfaat, carbonaat, elementair zwavel en methanol. Biologische elektronendonoren (behalve suiker en aminozuren) zijn waterstof, stikstofverbindingen (zoals ammoniak en nitriet), sulfide en methaan. Om ervoor te zorgen dat chemo-autotrofen en heterotrofen gedurende langere perioden over acceptor-donor-transformaties kunnen beschikken, zijn ecologische cycli nodig. Gedurende geologisch korte perioden kunnen organismen leven van een eindige voorraad materiaal; voor het voortbestaan van leven op lange termijn echter, moet een dynamische kringloop van materie met complementaire soorten organismen de overhand hebben. Als er leven op andere planeten bestaat, moeten de vereiste elementen en vloeibaar water in omloop zijn. Het zoeken naar dergelijke transformaties is een van de methoden om buitenaards leven op te sporen.

Naast energie hebben alle levensvormen koolstofbronnen nodig. Autotrofe organismen (chemosynthetische en fotosynthetische bacteriën, algen en planten) ontlenen dit essentiële element aan kooldioxide. Heterotrofen gebruiken vooraf gevormde organische verbindingen als hun bron van koolstof. Onder de autotrofen zijn vele celtypen niet afhankelijk van licht om ATP te genereren; die welke dat wel doen zonder licht zijn de chemo-autotrofe bacteriën, waaronder de methanogenen, ammoniak-oxidatiemiddelen, sulfide-oxidatiemiddelen, waterstof-oxidatiemiddelen, en enkele obscure andere. Er zijn inderdaad ten minste vijf volledig van elkaar verschillende metabolische routes geëvolueerd om kooldioxidegas te gebruiken. Eén daarvan is de hierboven beschreven oxygenische route, die door planten, algen en cyanobacteriën wordt gebruikt: de donkere Calvin-Benson-reacties. Andere, meer obscure routes zijn fosfoenolpyruvaat (PEP), succinaat, en methanogene routes. Zij moeten allemaal het energie-arme kooldioxide in het energierijke koolstof-waterstof-metabolisme van organismen brengen. Al het leven op aarde is afhankelijk van deze autotrofe reacties die beginnen met kooldioxide of het equivalent daarvan. Equivalenten als koolstofbronnen in het autotrofe metabolisme zijn onder meer het carbonaation, het bicarbonaation en koolmonoxide. Zoals gebruikelijk is, wat metabolische variatie en virtuositeit betreft, het bacteriële repertoire veel gevarieerder dan dat van eukaryoten, d.w.z. planten, dieren en andere organismen die uit cellen met kernen bestaan. In het algemeen zijn organismen met een kern, eukaryoten, ofwel fotolithoautotrofen (d.w.z. algen en planten) die energie ontlenen aan licht of mineralen, ofwel chemo-organoheterotrofen (dieren, schimmels en de meeste protisten) die energie en koolstof ontlenen aan voorgevormde organische verbindingen (voedsel).