所有维持细胞生存的不同化学过程都需要能量，确切地说是大量能量。如今，我们身边的绝大多数生命形式，归根结底都是从太阳获取能量的。这就是叶绿体——对生命至关重要的另一种细胞器——所实现的壮举。与细胞核不同，叶绿体不存在于动物细胞中，只存在于植物和藻类的细胞里。叶绿体是进行光合作用的场所。光合作用就是利用太阳光的能量，将水和二氧化碳转化为糖和氧气的一系列化学反应。
光合作用所需的酶都排列在围绕每个叶绿体的两层膜中。公园里的一根草中的每一个细胞，都大约有100个这样大致呈球形的细胞器，且每个都含有大量被称为叶绿素的蛋白质。因为有叶绿素，草看起来才是绿色的：它们从光谱的蓝色和红色部分吸收能量，为光合作用提供动力，从而反射出绿色波长的光。
能进行光合作用的植物、藻类和一些细菌会产生单糖，这是它们最直接的能量来源，也作为原始材料被用于构建它们生存所需的其他分子。它们还产生被其他生物消耗的糖和碳水化合物：真菌以腐烂的木头为食，绵羊啃食青草，鲸鱼吞下发生大量光合作用的浮游生物，世界各大洲人类仰赖所有粮食作物生存。事实上，对我们身体每个部分的构建都至关重要的碳，归根结底也来自光合作用。一开始，它以二氧化碳的形式存在，然后经由光合作用这一化学反应，被从空气中抽离出来。
光合作用这一化学反应不仅为当今地球上大部分生命体的构建提供了能源和原料，也在地球的历史上起到了决定性的作用。迄今为止发现的最古老的化石距今有35亿年，换言之，那时已出现了最早的生命体：它们都是单细胞微生物，可能是从地热中获取能量的。地球上生命的早期阶段没有光合作用，因而也没有主要的氧气来源。所以，大气中几乎没有氧气，地球上的早期生命体遇到氧气时还会出现一些问题。
我们认为氧气是用来维持生命的，事实也是如此，但氧气也是一种具有高度化学活性的气体，可以破坏其他化学物质，包括生命必需的聚合物，比如DNA。一旦微生物进化出光合作用的能力，它们就会大量繁殖。历经千万年后，大气中的氧含量急剧增加。随后，大约在20亿～24亿年前，“大氧化事件”爆发了。当时存在的所有生物体都是微生物，要么是细菌，要么是古细菌，但有些专家认为，那些微生物中的绝大部分都因氧气骤增而灭绝。生命创造的生存条件，却差点导致所有生命一次性灭绝，这实在太讽刺了。幸存下来的少数生命，要么退到较少接触到氧的地方，譬如海底或地底深处，要么就必须适应，进化出在含氧世界里壮大繁衍所需的新化学成分。
今天，像人类这样的生物体仍要谨慎地处理氧气，但我们完全依赖它，因为我们需要氧气分解身体吃进去、制造出来或吸收的糖、脂肪和蛋白质并释放能量。这是细胞呼吸这一化学过程所带来的结果。这一系列反应的最后阶段发生在线粒体内，对所有真核细胞来说，线粒体是另一个攸关性命的细胞区室。
线粒体的主要作用是产生让细胞进行化学反应的能量。正因如此，需要大量能量的细胞才会含有大量线粒体：为了保持心脏跳动，心脏肌肉中的每一个细胞都必须征用几千个线粒体；所有线粒体加在一起，要占据心脏细胞中40%的可用空间。用严格的化学术语来说，细胞呼吸逆转了光合作用的核心反应。糖和氧气发生反应后生成水和二氧化碳，并释放出大量能量，这些能量将被收集起来供以后使用。线粒体确保了这种步骤繁多的化学反应的高度受控，并以循序渐进的严谨秩序推进，且不会损失太多能量，也不会因有活性氧和电子逃逸而破坏细胞的其他部分。
细胞呼吸过程中的关键步骤基于质子的运动：质子是被剥夺了一个电子的单个氢原子，因而带有电荷。这些质子从线粒体的中心被推出来，进入包围每个线粒体的两层膜之间的空隙。结果就构建出了一种格局：线粒体内膜外的带电质子比内膜内的多。虽然这个过程是基于化学的，但它本质上是一个物理过程。你可以把它想象成在山坡上抽水，来填满一个水坝。水电站里的水沿着山坡从水坝中一冲而下，涡轮机将水的动能转化为电能。同样，在线粒体里，被推出内膜“水坝”的质子经由蛋白质构成的通道冲回细胞器的中心，在这个落差中，带电质子产生的动能被蛋白质通道捕获，并以高能化学键的形式储存起来。
