化能合成作用是生物体利用化学能将无机物转化为有机物的过程，主要涉及自养生物，例如绿色植物和某些特殊类型的细菌。这些生物能够直接利用环境中的无机物质，如氨、硫化物或亚硝酸盐，在没有光能的情况下，通过氧化反应产生能量，进而合成葡萄糖等有机物。例如，硝化细菌通过氧化氨来获取能量，生成亚硝酸盐和硝酸盐。
异养生物则不能进行化能合成作用，它们依赖于摄入现成的有机物来获取能量和构建自身组织。这包括大多数动物、真菌以及一些细菌。例如，人类通过消化食物中的有机物来满足能量需求。
光合作用是化能合成作用的重要补充，它是地球生命能量循环的关键环节。光合作用由绿色植物和某些蓝藻执行，它们利用太阳光能将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气。这个过程不仅为生物提供能量和有机物质，还维持了大气中氧气和二氧化碳的平衡，对生物的进化有着深远的影响。
在人体内，二氧化碳主要在细胞的线粒体内产生，作为细胞呼吸的产物。氧气则在线粒体内与[H]结合生成水，释放能量供细胞使用。光合作用的效率受多种因素影响，包括光照强度、二氧化碳浓度和温度。例如，光照过强时，植物叶片的气孔会关闭以防止水分过度蒸发，从而导致光合作用暂时下降。
在农业生产中，提高温室蔬菜产量的措施通常包括增大二氧化碳浓度、增强光照强度和调节适宜的温度，而不是增大氧气浓度。自养型的原核生物如硝化细菌，能够进行化能合成，而大肠杆菌属于异养型细菌。
光合作用的进行需要叶绿体中的色素，尤其是叶绿素，它们主要吸收红橙光和蓝紫光。提高二氧化碳浓度和光照强度可以促进光合作用，而温度过高或过低都会影响光合作用的效率。在光合作用的暗反应中，ATP和NADPH被用来还原二氧化碳，形成有机物。当二氧化碳供应中断时，叶绿体内的RuBP会积累。
在细胞的能量转换过程中，线粒体和叶绿体都含有膜结构、DNA和多种酶，线粒体通过氧化磷酸化产生ATP，叶绿体在光反应中也产生ATP。有氧呼吸中，氧气的作用是与[H]结合生成水，而非直接氧化有机物。在氧气不足的条件下，植物和动物的某些细胞会进行无氧呼吸，产生酒精或乳酸，如马铃薯块茎无氧呼吸会产生乳酸。在农作物生长期间，如果土壤中氧气不足，根部会进行无氧呼吸，产生酒精，可能导致烂根。
葡萄糖在细胞质内分解至丙酮酸的过程是糖酵解，是无氧呼吸的第一阶段，不产生二氧化碳，且受温度影响。酶的高效性体现在一个酶分子可以快速催化大量底物反应，如碳酸酐酶的高效催化。光合作用产生的[H]用于还原二氧化碳，呼吸作用产生的[H]则还原氧气。植物根细胞吸收矿质元素离子通常与细胞呼吸密切相关，因为这一过程需要能量。
储存水果和粮食时，抑制有氧呼吸并降低氧气浓度可以延长储存时间，因为这样可以减少呼吸消耗，延缓品质下降。光合作用和呼吸作用在植物的叶肉细胞中进行，而呼吸作用在所有活细胞中都可以进行。将植物从阳光移到黑暗环境中，光合作用会立即停止，导致C3化合物积累，而葡萄糖生成减少。
ATP与ADP的相互转化中，物质转化是可逆的，但能量转化是不可逆的。ATP是细胞的能量货币，其合成需要能量，而分解则释放能量。关于ATP的叙述，正确的是ATP在细胞内的转化是迅速且频繁的，是生命活动能量供应的关键。
化能合成作用、光合作用、呼吸作用以及植物和动物的能量代谢是生命活动的基础，理解这些过程对于生物学的学习和应用至关重要。
