1) 생물권에 영양분을 공급하는 과정
지구상의 생명체는 태양으로부터 에너지를 얻습니다. 식물과 다른 광합성 생물체의 엽록체는 태양으로부터 빛에너지를 획득한 후에 화학에너지로 전환하여 당과 다른 유기분자에 저장합니다. 이러한 전화 과정을 광합성(photosynthesis)이라고 합니다. 광합성은 직접 또는 간접적으로 거의 모든 생명체에 영양분을 공급합니다. 생명체는 에너지와 탄소 골격으로 사용되는 유기화합물을 독립영양 또는 종속영양 중 하나를 이용하여 얻을 수 있습니다. 독립영양생물(autotroph)은 영양분을 스스로 공급하는 생물입니다. 독립영양생물은 다른 생명체로부터 유래한 어떠한 것도 섭취하지 않고 자신을 유지할 수 있습니다. 독립영양생물은 환경으로부터 얻은 이산화탄소와 무기물로부터 자신의 유기화합무를 만듭니다. 이들은 다른 비독립영양생물이 사용하는 유기화합물의 궁극적인 원천이 됩니다. 이러한 이유에서 생물학자들은 독립영양생물을 생물권의 생산자라고 부릅니다.
거의 모든 식물은 독립영양생물입니다. 식물에게 필요한 유일한 영양분은 토양으로부터 물과 무기양분 그리고 공기로부터의 이산화탄소입니다. 특별히 식물은 빛을 유기물 합성의 에너지원으로 사용하는 광독립영양생물입니다. 조류나 기타 단세포 진핵생물 그리고 일부 원핵생물 역시 광합성을 합니다.
종속영양생물(heterotroph)은 자신의 영양분을 만들 수 없습니다. 그래서 다른 생명체에 의해 만들어진 물질에 의존하여 살아가게 됩니다. 종속영양생물은 생물권의 소비자입니다. 이러한 '다른 생명체를 먹는' 가장 확실한 형태는 동물이 식물 또는 다른 동물을 먹는 것에서 나타납니다. 하지만 종속영양생물의 영양분 섭취는 감지하기가 매우 어렵습니다. 어떤 종속영양생물은 죽은 생물체의 잔해와 배설물, 또는 낙엽과 같은 유기물 찌꺼기를 분해하여 섭취합니다. 이들은 분해자라고 불립니다. 대부분의 균류와 많은 종류의 원핵생물은 이러한 방법으로 영양분을 섭취하게 됩니다. 사람들 포함한 거의 대부분의 종속영양생물은 직접 또는 간접적으로 먹이뿐만 아니라 광합성의 부산물인 산소를 얻는 데에도 광독립영양생물에 의존합니다.
2) 화학에너지로의 전환
빛에너지를 이용하여 유기분자를 합성하는 데 사용하는 생물체의 놀라운 능력은 세포의 구조적인 조직화로부터 나타납니다. 광합성에 관련된 효소와 다른 분자들은 생체막 내에 함께 모여 있어 필수적인 일련의 화학반응들이 효율적으로 일어나도록 돕습니다. 광합성 과정은 아마도 이러한 분자들을 갖고 있는 원형질막이 안으로 감싸고 들어간 세균의 무리로부터 유래된 것 같다고 보여집니다. 현존하는 광합성 세균에서 안으로 감싸고 들어간 광합성막은 진핵세포 소기관인 엽록체의 내막과 유사하게 기능하게 됩니다. 세포공생 이론에 따르면, 엽록체의 기원은 진핵세포의 조상 안에 살았던 광합성 세균이라고 할 수 있습니다.
3) 엽록체(식물의 광합성 장소)
녹색 줄기나 덜 익은 과실의 녹색을 띠고 있는 부분을 포함하여 식물의 모든 녹색 부분은 엽록체를 갖고 있습니다. 하지만 대부분의 식물에서 광합성을 주로 잎에서 일어납니다. 엽록체는 주로 잎 안쪽에 위치하고 있는 엽육조직을 구성하는 세포에서 발견됩니다. 뿌리를 통해 흡수된 물은 관다발조직계를 통해 잎으로 전달됩니다. 동시에 잎은 관다발조직계를 통해 당을 뿌리나 식물의 광합성을 하지 않는 부위로 전달하게 됩니다.
전형적인 엽육세포에는 보통 30~40개의 엽록체가 있습니다. 엽록체는 밀도가 높은 액체상인 스트로마를 두 겹의 막으로 둘러싸고 있습니다. 스트로마에는 틸라코이드라고 하는 제3의 막 체계가 있는데 이것이 막주머니의 내부인 틸라코이드 공간과 스트로마를 분리합니다. 어떤 곳에는 틸라코이드막 주머니가 포개어져 있는데 이를 그라나(grana)라고 부릅니다. 잎의 색깔을 녹색으로 만드는 녹색 색소인 엽록소는 엽록체의 틸라코이드막에 위치하고 있습니다. 엽록소에 의해서 흡수되는 빛에너지는 엽록체에서 유기분자를 합성하도록 합니다.