生物以不同方式获取维持生命所需的自由能（free energy）。
一些生物——如动物、真菌以及生活在人体肠道中的各种细菌——通过摄取其他生物或它们产生的有机化学物质获取能量，这类生物称为organotrophic（来自希腊语 trophe，意为“食物”）。
另一些生物则直接从非生物环境获取自由能。这些**初级能量转换者（primary energy converters）**可分为两类：
利用阳光能量的生物，被称为phototrophic（以光为食）；
利用环境中富能无机化学体系（远离化学平衡的化学系统）获取能量的生物，被称为lithotrophic（以岩石为食）。
像我们这样的 organotrophic 生物若没有这些初级能量转换者就无法存在，而这些初级能量转换者也是地球上最丰富的生命形式。
Phototrophic 生物包括许多类型的细菌，以及藻类和植物，我们——以及我们周围几乎所有可见生物——都依赖它们。Phototrophic 生物改变了整个环境的化学组成：最显著的例子是，地球大气中的氧气就是它们生物合成活动的副产物。
Lithotrophic 生物在我们日常世界中不太显眼，因为它们微小且多栖息于人类不常到达的环境——深海、地壳深处或其他看似不宜生存的环境。但它们是生命世界的重要组成部分，尤其在研究地球生命史时具有关键意义。
一些 lithotrophs 从**需氧反应（aerobic reactions）**中获取能量，这类反应利用环境中的分子氧（O₂）；由于大气中的 O₂ 最终来源于 phototrophic 生物，这些需氧 lithotrophs 在某种意义上是“以过去生命的产物为食”。
然而，还有许多 lithotrophs 在缺氧或无氧环境中生活（anaerobically），如早期地球生命尚未累积氧气的环境。
最具代表性的无氧环境是太平洋和大西洋海底的高温热液喷口（hydrothermal vents）。这些喷口位于海洋地壳扩张区域，新地壳通过地球内部物质的逐渐上涌形成。下渗的海水被加热后再向上喷出，形成海底间歇泉（submarine geyser），同时携带来自热岩石的各种化学物质。典型的化学成分包括：H₂S、H₂、CO、Mn²⁺、Fe²⁺、Ni²⁺、CH₄、NH₄⁺ 及含磷化合物。
图：《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 1–15 海水下渗至地球内部上涌的**热熔火山岩（basalt）**附近，被加热后再向上喷出，同时携带从热岩中浸出的各种矿物质混合物。在喷口周围形成了温度梯度：靠近喷口核心处温度超过 350°C，而周围海水温度仅为 2–3°C。随着水温下降，矿物质从水中沉淀，形成烟囱状结构。不同类别的生物根据不同的温度条件在烟囱的不同区域繁衍生存。典型的烟囱高约几米，喷出富含矿物质的高温水流。图中还显示了依赖矿物质的 lithotrophic 细菌及以它们为食的无脊椎海洋动物的分布位置。
喷口附近存在着密集的微生物群落，它们以这些简朴的化学物质为食，通过化学反应收获自由能（free energy）。各种无脊椎海洋动物——如蛤蜊、贻贝和巨型海洋蠕虫——依赖喷口微生物生存，形成了一个完整生态系统。这一生态系统类似于我们熟悉的植物-动物世界，但其能量来源是**地球化学能（geochemical energy）**而非光能。
图：《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 1–16 海底喷口附近 2500 米深处的生物。在喷口附近，温度可达~120°C，各种 lithotrophic 细菌和古菌 直接依靠**地球化学能（geochemical energy）**生存。稍远一些、温度较低的区域，则栖息着以这些微生物为食的各种无脊椎动物。最为显著的是照片中展示的巨型管虫（tube worms，Riftia pachyptila），体长可达 2 米。这些管虫并不直接以 lithotrophic 微生物为食，而是与其共生（symbiosis）：管虫体内的专门器官容纳了大量共生硫氧化细菌（sulfur-oxidizing bacteria），这些细菌利用地球化学能为宿主提供营养，而管虫自身没有口、肠或肛门。科学家认为，管虫是由更常规的动物进化而来，并在热液喷口环境下进行了次级适应（secondarily adapted）。（资料来源：Science History Images/Alamy Stock Photo）
