Os organismos adquirem energia por dois métodos gerais: por luz ou por oxidação química. Os organismos produtivos, chamados autotróficos, convertem luz ou produtos químicos em compostos orgânicos ricos em energia, começando pelo dióxido de carbono (CO2), que é pobre em energia. Estes autotróficos fornecem energia aos outros organismos, os heterotróficos. Os heterótrofos são organismos que adquirem a sua energia através da decomposição controlada de moléculas orgânicas preexistentes, ou alimentos. Os seres humanos, como a maioria dos outros animais, fungos, protists e bactérias, são heterotróficos.
Encyclopædia Britannica, Inc.
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Organismos autotróficos são frequentemente produtores primários em seus ecossistemas. Eles adquirem sua energia útil livre de outras fontes além da alimentação: ou da energia da luz solar (fotoautotrofos) ou de reações químicas oxidativas (quimioautotrofos). O último modo de metabolismo refere-se a formas de vida que utilizam materiais inorgânicos (amônia, metano ou sulfeto de hidrogênio) combinados com oxigênio para gerar sua energia. Apenas algumas bactérias são capazes de obter energia através da “queima” de produtos químicos inorgânicos.
Plantas verdes são fotoautotrofos típicos. As plantas absorvem a luz solar para gerar ATP e desassociar a água em oxigênio e hidrogênio. Para decompor a molécula da água, H2O, em hidrogênio e oxigênio, é necessária muita energia. O hidrogênio da água é então combinado nas “reações escuras” com dióxido de carbono, CO2. O resultado é a produção de moléculas orgânicas ricas em energia, como açúcares, aminoácidos e nucleotídeos. O oxigênio torna-se o gás O2, que é liberado como resíduo de volta para a atmosfera. Os animais, que são estritamente heterotróficos, não podem viver de dióxido de carbono, luz solar e água com alguns sais, como as plantas. Eles têm de respirar o oxigénio atmosférico. Os animais combinam quimicamente oxigênio com átomos de hidrogênio que removem de seus alimentos – ou seja, de materiais orgânicos como açúcar, proteínas e aminoácidos. Os animais libertam água como um produto residual da respiração de oxigénio. Os animais, como todos os heterótrofos, usam materiais orgânicos como sua única fonte de carbono. Esta conversão de carbono fornece um exemplo de um aspecto de um ciclo ecológico no qual um elemento necessário flui através de diferentes tipos de organismos à medida que muda o seu estado de oxidação de CO2 para (CH2O)n e de volta para CO2.
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Ciclos metabólicos em geral – a extração por organismos de energia útil e moléculas alimentares de material de origem ambiental – pode ser descrita em termos de reações de oxidação-redução. No caso da respiração de oxigénio, as moléculas de oxigénio do ar aceitam os electrões em última análise da glicose ou dos aminoácidos. O oxigênio, que tem uma grande afinidade com os elétrons, é chamado de um aceitador de elétrons, enquanto que a glicose, ou outras moléculas de açúcar ou orgânicas, é um doador de elétrons. A respiração animal é o protótipo das reacções de oxidação-redução, mas certamente nem todas as reacções de oxidação-redução (ou “reacções redox”, como são muitas vezes chamadas) envolvem oxigénio. Muitos outros compostos inorgânicos são respirados, ou “respirados”, ao nível da célula. Os aceitadores biológicos de elétrons além do oxigênio incluem nitrato, nitrito, sulfato, carbonato, enxofre elementar e metanol. Os doadores biológicos de elétrons (além de açúcar e aminoácidos) incluem hidrogênio, compostos nitrogenados (como amônia, nitrito), sulfeto e metano. Para que as transformações aceitantes ou doadoras estejam disponíveis para quimiotrofas e heterotrofas durante períodos de tempo sustentados, são necessários ciclos ecológicos. Para períodos de tempo geologicamente curtos, os organismos podem viver de um suprimento finito de material; entretanto, para qualquer continuidade de vida a longo prazo, um ciclo dinâmico de matéria envolvendo tipos complementares de organismos deve prevalecer. Se a vida existir noutros planetas, os elementos necessários e a água líquida devem ser cíclicos. A busca de tais transformações proporciona um método de detecção de vida extraterrestre.
Além da energia, todas as formas de vida requerem fontes de carbono. Os organismos autotróficos (bactérias quimiosintéticas e fotossintéticas, algas e plantas) derivam este elemento essencial do dióxido de carbono. Os heterótrofos utilizam compostos orgânicos pré-formados como sua fonte de carbono. Entre os autotróficos, muitos tipos de células não dependem da luz para gerar ATP; aqueles que prescindem da luz são as bactérias quimiotrofas, incluindo os metanogênicos, oxidantes de amônia, oxidantes de sulfeto, oxidantes de hidrogênio e alguns outros obscuros. De facto, pelo menos cinco vias metabólicas completamente diferentes umas das outras evoluíram para o uso de gás de dióxido de carbono. Uma é a via oxigenada descrita acima, que é usada por plantas, algas e cianobactérias: as reações escuras Calvin-Benson. Outras vias mais obscuras incluem as vias do fosfenolpiruvato (PEP), succinato, e metanogênio. Todas elas precisam trazer dióxido de carbono pobre em energia para o metabolismo do composto carbono-hidrogênio rico em energia dos organismos. Toda a vida na Terra depende dessas reações autotróficas que começam com o dióxido de carbono ou seu equivalente. Equivalentes como fontes de carbono no metabolismo autotrófico incluem o íon carbonato, o íon bicarbonato, e o monóxido de carbono. Como de costume, com respeito à variação metabólica e virtuosidade, o repertório bacteriano é muito mais diversificado do que o dos eucariotas – ou seja, plantas, animais e outros organismos compostos de células com núcleos. Em geral, organismos nucleados, eucariotas, são fotolithoautotrofos (ou seja, algas e plantas) que derivam energia da luz ou minerais ou quimio-organoheterotrofos (animais, fungos e a maioria dos protistas) que derivam energia e carbono de compostos orgânicos pré-formados (alimentos).