Organismer får energi på två allmänna sätt: genom ljus eller genom kemisk oxidation. Produktiva organismer, så kallade autotrofa organismer, omvandlar ljus eller kemikalier till energirika organiska föreningar som börjar med energilös koldioxid (CO2). Dessa autotrofa organismer ger energi till andra organismer, heterotrofa organismer. Heterotrofa organismer är organismer som får sin energi genom kontrollerad nedbrytning av redan existerande organiska molekyler, eller föda. Människor, liksom de flesta andra djur, svampar, protister och bakterier, är heterotrofa.

Autotrofa organismer är ofta primärproducenter i sina ekosystem. De får sin användbara fria energi från andra källor än föda: antingen från energi från solljus (fotoautotrofa organismer) eller från oxidativa kemiska reaktioner (kemoautotrofa organismer). Den sistnämnda formen av metabolism avser livsformer som använder oorganiska material (ammoniak, metan eller vätesulfid) i kombination med syre för att generera sin energi. Endast vissa bakterier kan få energi genom att ”bränna” oorganiska kemikalier.

Grönväxter är typiska fotoautotrofer. Växter absorberar solljus för att generera ATP och för att disassociera vatten till syre och väte. Att sönderdela vattenmolekylen H2O till väte och syre kräver mycket energi. Vätet från vattnet kombineras sedan i ”mörkerreaktionerna” med koldioxid, CO2. Resultatet är produktionen av sådana energirika organiska molekyler som sockerarter, aminosyror och nukleotider. Syret blir till gasen O2, som släpps ut som avfall tillbaka till atmosfären. Djur, som är strikt heterotrofa, kan inte leva på koldioxid, solljus och vatten med några salter som växter gör. De måste andas in atmosfärens syre. Djur kombinerar syre kemiskt med väteatomer som de hämtar från sin föda, det vill säga från organiska material som socker, protein och aminosyror. Djuren släpper ut vatten som en avfallsprodukt från syreandningen. Djur, liksom alla heterotrofa organismer, använder organiska material som enda kolkälla. Denna omvandling av kol ger ett exempel på en aspekt av ett ekologiskt kretslopp där ett nödvändigt element flödar genom olika typer av organismer när det ändrar sitt oxidationstillstånd från CO2 till (CH2O)n och tillbaka till CO2.

Metaboliska cykler i allmänhet – organismers utvinning av användbar energi och matmolekyler från miljökällmaterial – kan beskrivas i termer av oxidations-reduktionsreaktioner. Vid syreandning tar syremolekyler från luften emot elektroner från glukos eller aminosyror. Syret, som har en stor affinitet för elektroner, kallas en elektronacceptor, medan glukos, eller andra socker- eller organiska molekyler, är en elektrondonator. Djurens andning är prototypen på oxidations-reduktionsreaktioner, men alla oxidations-reduktionsreaktioner (eller ”redoxreaktioner” som de ofta kallas) involverar verkligen inte syre. Många andra oorganiska föreningar andas, eller ”andas”, på cellnivå. Biologiska elektronacceptorer förutom syre är nitrat, nitrit, sulfat, karbonat, elementärt svavel och metanol. Biologiska elektrongivare (förutom socker och aminosyror) är bland annat väte, kväveföreningar (som ammoniak och nitrit), sulfid och metan. För att omvandlingar av mottagare och givare ska vara tillgängliga för kemoautotrofa och heterotrofa organismer under längre tidsperioder krävs ekologiska cykler. Under geologiskt sett korta perioder kan organismerna leva på en ändlig tillgång till material, men för att livet skall kunna fortgå på lång sikt måste ett dynamiskt kretslopp av materia med kompletterande typer av organismer råda. Om det finns liv på andra planeter måste de nödvändiga grundämnena och det flytande vattnet cirkulera. Ett sökande efter sådana omvandlingar är en metod för att upptäcka utomjordiskt liv.

Förutom energi behöver alla former av liv kolkällor. Autotrofa organismer (kemosyntetiska och fotosyntetiska bakterier, alger och växter) hämtar detta viktiga element från koldioxid. Heterotrofa organismer använder förformade organiska föreningar som kolkälla. Bland autotrofa organismer finns det många typer av celler som inte är beroende av ljus för att generera ATP. De som klarar sig utan ljus är de kemoautotrofa bakterierna, inklusive metanogenerna, ammoniakoxiderna, sulfidoxiderna, väteoxiderna och några obskyra andra. Det är faktiskt så att minst fem metaboliska vägar som är helt olika varandra har utvecklats för att använda koldioxidgas. En av dem är den ovan beskrivna syrefria vägen som används av växter, alger och cyanobakterier: Calvin-Bensons mörkerreaktioner. Andra, mer obskyra vägar är fosfenolpyruvat (PEP), succinat och metanogenvägarna. De behöver alla föra in energislukande koldioxid i organismernas energirika ämnesomsättning av kol- och väteföreningar. Allt liv på jorden är beroende av dessa autotrofa reaktioner som börjar med koldioxid eller dess motsvarighet. Motsvarande kolkällor i den autotrofa ämnesomsättningen är karbonatjonen, bikarbonatjonen och kolmonoxid. Som vanligt, när det gäller metabolisk variation och virtuositet, är bakteriernas repertoar mycket mer varierad än repertoaren hos eukaryoter – det vill säga växter, djur och andra organismer som består av celler med kärnor. I allmänhet är organismer med kärnor, eukaryoter, antingen fotolithoautotrofa (dvs. alger och växter) som hämtar energi från ljus eller mineraler eller kemoorganoheterotrofa (djur, svampar och de flesta protister) som hämtar energi och kol från förbildade organiska föreningar (föda)

.