Organizmy pozyskują energię dwoma ogólnymi sposobami: przez światło lub przez utlenianie chemiczne. Organizmy produktywne, zwane autotrofami, przekształcają światło lub substancje chemiczne w bogate w energię związki organiczne, zaczynając od ubogiego w energię dwutlenku węgla (CO2). Te autotrofy dostarczają energii dla innych organizmów, heterotrofów. Heterotrofy to organizmy, które pozyskują energię poprzez kontrolowany rozkład istniejących wcześniej cząsteczek organicznych, czyli pożywienia. Człowiek, podobnie jak większość innych zwierząt, grzybów, protistów i bakterii, jest heterotrofem.

Autotroficzne organizmy są często głównymi producentami w swoich ekosystemach. Pozyskują one darmową energię użytkową ze źródeł innych niż pożywienie: z energii światła słonecznego (fotoautotrofy) lub z utleniających reakcji chemicznych (chemoautotrofy). Ten ostatni sposób metabolizmu odnosi się do form życia, które wykorzystują materiały nieorganiczne (amoniak, metan lub siarkowodór) w połączeniu z tlenem do generowania energii. Tylko niektóre bakterie są w stanie uzyskać energię poprzez „spalanie” nieorganicznych związków chemicznych.

Rośliny zielone są typowymi fotoautotrofami. Rośliny absorbują światło słoneczne, aby wytworzyć ATP i rozdzielić wodę na tlen i wodór. Rozbicie cząsteczki wody, H2O, na wodór i tlen wymaga dużo energii. Wodór z wody jest następnie łączony w „ciemnych reakcjach” z dwutlenkiem węgla, CO2. W wyniku tego powstają bogate w energię cząsteczki organiczne, takie jak cukry, aminokwasy i nukleotydy. Tlen staje się gazem O2, który jest uwalniany jako odpad z powrotem do atmosfery. Zwierzęta, które są ściśle heterotrofami, nie mogą żyć na dwutlenku węgla, świetle słonecznym i wodzie z niewielką ilością soli, jak to czynią rośliny. Muszą one wdychać tlen atmosferyczny. Zwierzęta łączą tlen chemicznie z atomami wodoru, które pobierają z pożywienia – to znaczy z materiałów organicznych, takich jak cukier, białko i aminokwasy. Zwierzęta uwalniają wodę jako produkt odpadowy w procesie oddychania tlenowego. Zwierzęta, podobnie jak wszystkie heterotrofy, wykorzystują materiały organiczne jako jedyne źródło węgla. Ta konwersja węgla stanowi przykład aspektu cyklu ekologicznego, w którym wymagany element przepływa przez różne typy organizmów, ponieważ zmienia swój stan utlenienia z CO2 na (CH2O)n i z powrotem na CO2.

Cykle metaboliczne w ogólności – pozyskiwanie przez organizmy użytecznej energii i cząsteczek pożywienia z materiału źródłowego środowiska – można opisać w kategoriach reakcji utleniania-redukcji. W przypadku oddychania tlenowego, cząsteczki tlenu z powietrza przyjmują elektrony ostatecznie z glukozy lub aminokwasów. Tlen, który ma duże powinowactwo do elektronów, jest nazywany akceptorem elektronów, podczas gdy glukoza, lub inne cukry lub cząsteczki organiczne, jest dawcą elektronów. Oddychanie zwierząt jest prototypem reakcji utleniania-redukcji, ale z pewnością nie wszystkie reakcje utleniania-redukcji (lub „reakcje redoks”, jak się je często nazywa) zachodzą z udziałem tlenu. Wiele innych związków nieorganicznych jest respirowanych lub „oddychanych” na poziomie komórkowym. Biologiczne akceptory elektronów oprócz tlenu obejmują azotan, azotyn, siarczan, węglan, siarkę elementarną i metanol. Biologiczne donory elektronów (inne niż cukier i aminokwasy) obejmują wodór, związki azotu (jak amoniak, azotyn), siarczek i metan. Aby przemiany akceptor-donor były dostępne dla chemoautotrofów i heterotrofów w dłuższych okresach czasu, konieczne są cykle ekologiczne. Dla geologicznie krótkich okresów czasu organizmy mogą żyć ze skończonej podaży materiału; jednakże dla jakiejkolwiek długoterminowej kontynuacji życia, musi dominować dynamiczny obieg materii z udziałem uzupełniających się typów organizmów. Jeśli życie istnieje na innych planetach, niezbędne pierwiastki i ciekła woda muszą krążyć w obiegu. Poszukiwanie takich przemian stanowi jedną z metod wykrywania życia pozaziemskiego.

W uzupełnieniu do energii, wszystkie formy życia wymagają źródeł węgla. Organizmy autotroficzne (bakterie chemosyntetyzujące i fotosyntetyzujące, algi i rośliny) czerpią ten niezbędny element z dwutlenku węgla. Heterotrofy wykorzystują jako źródło węgla uprzednio przekształcone związki organiczne. Wśród autotrofów wiele typów komórek nie zależy od światła do generowania ATP; te, które radzą sobie bez światła, to bakterie chemoautotroficzne, w tym metanogeny, utleniacze amoniaku, utleniacze siarczków, utleniacze wodoru i kilka innych niejasnych. Rzeczywiście, co najmniej pięć szlaków metabolicznych, całkowicie różnych od siebie, ewoluowało w kierunku wykorzystania dwutlenku węgla. Jednym z nich jest opisany powyżej szlak tlenowy, wykorzystywany przez rośliny, algi i sinice: ciemne reakcje Calvina-Bensona. Inne, bardziej niejasne szlaki obejmują fosfoenolopirogronian (PEP), bursztynian i metanogen. Wszystkie one muszą doprowadzić ubogi w energię dwutlenek węgla do bogatego w energię metabolizmu związków węgla i wodoru w organizmach. Całe życie na Ziemi zależy od tych autotroficznych reakcji, które rozpoczynają się od dwutlenku węgla lub jego odpowiednika. Równoważniki jako źródła węgla w metabolizmie autotroficznym obejmują jon węglanowy, jon wodorowęglanowy i tlenek węgla. Jak zwykle, jeśli chodzi o różnorodność i wirtuozerię metabolizmu, repertuar bakterii jest znacznie bardziej zróżnicowany niż eukariotów – czyli roślin, zwierząt i innych organizmów złożonych z komórek posiadających jądra. Ogólnie rzecz biorąc, organizmy jądrzaste, eukariota, są albo fotolitoautotrofami (np. glony i rośliny), które czerpią energię ze światła lub minerałów, albo chemoorganoheterotrofami (zwierzęta, grzyby i większość protistów), które czerpią energię i węgiel z uprzednio uformowanych związków organicznych (pożywienie).

.