Organismele capătă energie prin două metode generale: prin lumină sau prin oxidare chimică. Organismele productive, numite autotrofe, transformă lumina sau substanțele chimice în compuși organici bogați în energie, începând cu dioxidul de carbon (CO2) sărac în energie. Aceste autotrofe furnizează energie pentru celelalte organisme, heterotrofele. Heterotrofele sunt organisme care își obțin energia prin descompunerea controlată a moleculelor organice preexistente, sau hrană. Ființele umane, la fel ca majoritatea celorlalte animale, ciuperci, protiști și bacterii, sunt heterotrofe.

Organismele autotrofe sunt adesea producători primari în ecosistemele lor. Ele își dobândesc energia liberă utilă din alte surse decât hrana: fie din energia luminii solare (fotoautotrofe), fie din reacții chimice oxidative (chemoautotrofe). Acest din urmă mod de metabolism se referă la formele de viață care utilizează materiale anorganice (amoniac , metan sau hidrogen sulfurat ) combinate cu oxigen pentru a-și genera energia. Doar unele bacterii sunt capabile să obțină energie prin „arderea” substanțelor chimice anorganice.

Plantele verzi sunt fotoautotrofe tipice. Plantele absorb lumina solară pentru a genera ATP și pentru a disocia apa în oxigen și hidrogen. Pentru a descompune molecula de apă, H2O, în hidrogen și oxigen este nevoie de multă energie. Hidrogenul din apă este apoi combinat în „reacțiile întunecate” cu dioxidul de carbon, CO2. Rezultatul este producerea de molecule organice bogate în energie, cum ar fi zaharurile, aminoacizii și nucleotidele. Oxigenul devine gazul O2, care este eliberat ca deșeu înapoi în atmosferă. Animalele, care sunt strict heterotrofe, nu pot trăi cu dioxid de carbon, lumină solară și apă cu câteva săruri, așa cum fac plantele. Ele trebuie să inhaleze oxigenul atmosferic. Animalele combină chimic oxigenul cu atomii de hidrogen pe care îi extrag din hrana lor – adică din materiale organice, cum ar fi zahărul, proteinele și aminoacizii. Animalele eliberează apă ca produs rezidual în urma respirației cu oxigen. Animalele, ca toate heterotrofele, folosesc materiale organice ca unică sursă de carbon. Această conversie a carbonului oferă un exemplu al unui aspect al unui ciclu ecologic în care un element necesar trece prin diferite tipuri de organisme pe măsură ce își schimbă starea de oxidare de la CO2 la (CH2O)n și înapoi la CO2.

Ciclurile metabolice în general – extragerea de către organisme a energiei utile și a moleculelor de hrană din materia sursă din mediu – pot fi descrise în termeni de reacții de oxidare-reducere. În cazul respirației cu oxigen, moleculele de oxigen din aer acceptă electroni în ultimă instanță de la glucoză sau aminoacizi. Oxigenul, care are o mare afinitate pentru electroni, se numește acceptor de electroni, în timp ce glucoza, sau alte molecule de zahăr sau organice, este un donator de electroni. Respirația animală este prototipul reacțiilor de oxidare-reducere, dar, cu siguranță, nu toate reacțiile de oxidare-reducere (sau „reacții redox”, așa cum sunt adesea numite) implică oxigenul. Mulți alți compuși anorganici sunt respirați, sau „respirați”, la nivel celular. Printre acceptorii biologici de electroni, în afară de oxigen, se numără nitrații, nitriții, sulfatul, carbonatul, sulful elementar și metanolul. Donatorii biologici de electroni (alții decât zahărul și aminoacizii) includ hidrogenul, compușii de azot (ca amoniac, nitrit), sulfura și metanul. Pentru ca transformările acceptor-donator să fie disponibile pentru chemoautotrofe și heterotrofe pe perioade de timp susținute, sunt necesare cicluri ecologice. Pentru perioade scurte din punct de vedere geologic, organismele pot trăi dintr-o rezervă finită de materie; cu toate acestea, pentru ca viața să continue pe termen lung, trebuie să prevaleze un ciclu dinamic al materiei care să implice tipuri complementare de organisme. Dacă există viață pe alte planete, elementele necesare și apa lichidă trebuie să fie în ciclu. Căutarea unor astfel de transformări oferă o metodă de detectare a vieții extraterestre.

În plus față de energie, toate formele de viață au nevoie de surse de carbon. Organismele autotrofe (bacteriile chimiosintetice și fotosintetice, algele și plantele) obțin acest element esențial din dioxidul de carbon. Heterotrofele utilizează compuși organici preformați ca sursă de carbon. În rândul autotrofelor, multe tipuri de celule nu depind de lumină pentru a genera ATP; cele care o fac fără lumină sunt bacteriile chemoautotrofe, inclusiv metanogenele, oxidanții de amoniac, oxidanții de sulfură, oxidanții de hidrogen și alte câteva obscure. Într-adevăr, cel puțin cinci căi metabolice complet diferite unele de altele au evoluat pentru a utiliza dioxidul de carbon gazos. Una dintre acestea este calea oxigenată descrisă mai sus, care este utilizată de plante, alge și cianobacterii: reacțiile obscure Calvin-Benson. Alte căi, mai obscure, includ căile fosfoenolpiruvat (PEP), succinat și metanogen. Toate acestea trebuie să aducă dioxidul de carbon sărac în energie în metabolismul compusului carbon-hidrogen bogat în energie al organismelor. Toate formele de viață de pe Pământ depind de aceste reacții autotrofe care încep cu dioxid de carbon sau echivalentul acestuia. Echivalenții ca surse de carbon în metabolismul autotrofic includ ionul carbonat, ionul bicarbonat și monoxidul de carbon. Ca de obicei, în ceea ce privește variația și virtuozitatea metabolică, repertoriul bacterian este mult mai divers decât cel al eucariotelor – adică al plantelor, animalelor și al altor organisme compuse din celule cu nucleu. În general, organismele cu nucleu, eucariote, sunt fie fotolithoautotrofe (de exemplu, algele și plantele) care își obțin energia din lumină sau minerale, fie chimio-organoheterotrofe (animale, ciuperci și majoritatea protiștilor) care își obțin energia și carbonul din compuși organici preformați (hrană).

.