З хімічної точки зору процес фотосинтезу включає запасання частини енергії сонячного світла у вигляді потенційної енергії їжі. Загальне рівняння окислювально-відновної реакції можна записати наступним чином:
СО2 +2 H2A «(СН2O) + H2О +2 A
окислення описується рівнянням:
H2A - 2e-® 2H + + A;
а відновлення:
СО2 +4 H + + 4E-® (СН2O) + H2О.
Для зелених рослин (водоростей, вищих рослин) А - це кисень, вода окислюється з вивільненням газоподібного кисню, а діоксид вуглецю відновлюється до вуглеводів ((СН2O)) з вивільненням води. Такий тип фотосинтезу носить назву "нормального фотосинтезу".
При бактеріальному фотосинтезі, навпаки, H2A - відновник - не вода, а або неорганічну сполуку сірки, наприклад сірководень H2S, як у зелених і пурпурових сіркових бактерій, або органічна сполука, як у рожево-червоних та бурих несерних бактерій. Відповідно при бактеріальному фотосинтезі цих типів кисень не виділяється.
Фотосинтезуючі бактерії в основному водні морські та прісноводні організми; в більшості випадків вони відіграють незначну роль у продукції органічної речовини. Але вони здатні функціонувати в умовах, в загальному несприятливих для більшості зелених рослин, і в водних відкладах беруть участь у кругообігу деяких елементів. Бактеріальний фотосинтез може бути корисний у забруднених і евтрофних (кормних) водах, відновлених зонах з обмеженим доступом світла, в стоячих озерах, багатих сірководнем, де на його частку може припадати до 30% загальної продукції.
Встановлено, що у вищих рослин існують різні біохімічні механізми відновлення діоксиду вуглецю до вуглеводів, що супроводжується виділенням кисню. У більшості рослин фіксація діоксиду вуглецю йде по С3-пентозофосфатного шляху, або циклу Кальвіна. Інший шлях - по циклу С4 - Дикарбонових кислот. Під час обговорення екологічних наслідків цих особливостей рослини відповідно до характеру протікають у них процесів фотосинтезу називають С3-рослинами або С4-рослинами. Ці рослини по-різному реагують на світло, температуру і воду. У перших максимальна інтенсивність фотосинтезу (на одиницю поверхні листа) зазвичай спостерігається при помірних освітленості і температурі, а високі температури і яскраве сонячне світло пригнічують фотосинтез. Навпаки, С4-рослини адаптовані до яскравого світла і високої температури і в таких умовах значно перевершують за продуктивністю С3-рослини. Крім того, вони більш ефективно використовують воду: як правило, на виробництво 1 г сухої речовини їм потрібно менше 400 г води, а С3--рослинам - від 400 до 1000 г води. До того ж фотосинтез у С4-рослин не інгібується високими концентраціями кисню, як це відбувається у С3-видів. Одна з причин того, що С4-рослини більш ефективні у верхніх меж світлової та температурної шкал, полягає в тому, що у них невелика фотодихання, тобто при збільшенні освітленості продукти фотосинтезу не витрачаються на дихання.
Хоча в перерахунку на площу листя ефективність фотосинтезу у С3-рослин нижче, ці рослини створюють велику частину фотосинтетичної продукції світу, можливо тому, що вони більш конкурентноздатні в змішаних спільнотах, де рослини затінюють один одного і де освітленість, температура й інші показники ближче до середніх значень, ніж до граничним. Це ще один хороший приклад принципу емерджентність. Виживання найбільш пристосованих у реальному світі - не завжди виживання видів, фізіологічно більш ефективних в оптимальних умовах в монокультурі; частіше виживають види, процвітаючі в змішаній культурі в мінливих і не завжди оптимальних умовах. Іншими словами, те, що ефективно в ізоляції, не обов'язково ефективно в співтоваристві, де на природний відбір сильно впливають міжвидові взаємодії.
Як і слід було очікувати, С4-види переважають серед рослинності пустель і степів в теплому і тропічному кліматі і рідкісні в лісах і на півночі, де освітленість і температура низькі.
Нещодавно було відкрито ще один спосіб фотосинтезу, пристосований до умов пустель і отримав назву САМ - метаболізм (кислотний метаболізм толстенкових). У деяких мешканців пустелі, в тому числі кактусів, продихи протягом спекотного дня закриті і відкриваються тільки прохолодною вночі. Діоксид вуглецю, що поглинається через продихи, накопичується у формі органічних кислот і фіксується у вуглеводах тільки на наступний день. Така затримка фотосинтезу значно зменшує денні втрати води, посилюючи цим здатність рослин зберігати водний баланс і запаси води.
Мікроорганізми, яких називають хемосінтезірующімі бактеріями, відносять до хемолітотрофам, тому що вони отримують енергію для включення діоксиду вуглецю до складу компонентів клітини не за рахунок фотосинтезу, а в результаті хімічного окислення простих неорганічних сполук, наприклад аміаку (у нітрит), нітриту (в нітрат) , сульфіду (у сірку), двовалентного заліза (в тривалентне). Такі мікроорганізми можуть рости в темряві, але більшості з них потрібний кисень. Як приклад можна навести різні азотні бактерії, що грають важливу роль в круговороті азоту. Завдяки здатності функціонування за відсутності світла - в опадах, грунті і на дні океанів-хемосінтезірующіе бактерії не тільки грають роль у витяганні мінеральних поживних речовин, вони використовують енергію, яка інакше була б недоступна консументів.
Більшість вищих (насіннєвих) рослин і багато видів водоростей використовують тільки прості неорганічні речовини і, отже, є повністю автотрофними. Але деякі водорості потребують в якомусь одному (визначеному) складному органічному "Ростовом речовині", яке вони самі не здатні синтезувати. Інші види мають потребу у двох, трьох чи багатьох таких "ростових речовинах" і, отже, є частково гетеротрофних; організми, що займають проміжне положення між автотрофами і гетеротрофів, називаються ауксотрофнимі.
У глобальному масштабі еволюційно найбільш розвинені форми життя можна чітко розділити на автотрофами і гетеротрофів, причому для виживання останніх необхідний газоподібний кисень. Але багато видів і штами нижчих мікроорганізмів - бактерій, грибів, нижчих водоростей і найпростіших - не настільки спеціалізовані, вони пристосовані до проміжного способу існування і можуть з автотрофами перемикатися на гетеротрофів, жити в присутності і у відсутності кисню.