Существование живых организмов возможно при наличии в окружающей среде источников энергии, которые они могут использовать.
Так как древняя атмосфера не содержала кислорода, вероятно, что ранние организмы были анаэробными и, возможно, напоминали современные анаэробные бактерии. Подавляющее большинство современных организмов является аэробными, т. е. использующими кислород в реакции расщепления глюкозы и родственных ей веществ. В ходе этой реакции образуется СO2 и Н2O и выделяется энергия, используемая в жизнедеятельности организмов.
Вся история эволюции организмов связана с глубокими изменениями в механизмах их энергоснабжения, причем у прогрессивных организмов эффективность указанных механизмов постепенно возрастала. В этом отношении характерны изменения органов кровообращения у позвоночных различных классов. Хотя общая схема этих органов у всех позвоночных одинакова, механизм кровообращения в ходе эволюции позвоночных существенно изменялся. У рыб сердце состоит из последовательно расположенных камер, причем сосуды, переносящие артериальную и венозную кровь, не вполне изолированы друг от друга. Предсердие земноводных разделено вертикальной перегородкой, что затрудняет смешение артериальной и венозной крови. В сердце рептилий имеются дополнительные перегородки, хотя только у крокодилов почти полностью разделяются потоки крови, насыщенной и ненасыщенной кислородом.
Наиболее совершенна система кровообращения у птиц и млекопитающих, обеспечивающая их самым высоким уровнем энергоснабжения по сравнению с другими классами позвоночных.
Аналогичные изменения произошли в процессе эволюции органов дыхания позвоночных. У рептилий, птиц и млекопитающих этот процесс сопровождался все большим расчленением легких, в связи с чем внутренняя поверхность легких возрастала, их строение усложнялось и поступление энергии в организм увеличивалось.
Уровень снабжения организма энергией на единицу его массы при прочих равных условиях определяет возможный размер тела организма и степень его физической активности. Приход трофической энергии для многих аэробных организмов примерно пропорционален поверхности их тела, а расход энергии пропорционален их размеру в степени 3/4. В связи с этим увеличение размера тела этих организмов в ходе эволюции требует повышения эффективности их систем кровообращения и дыхания.
Аналогичные ограничения существуют для уровня физической активности животных. При прочих равных условиях переход животного от существования в воде, где движение не требует преодоления силы тяготения, к жизни на суше, где эта сила является постоянной нагрузкой, требует значительного увеличения потребления энергии. Также связаны с ростом потребления энергии переходы наземного животного от ползанья к ходьбе, от ходьбы к бегу и в особенности переход к летанию. Следует подчеркнуть, что расходы энергии, обусловленные различными формами передвижения, быстро возрастают при увеличении массы животного, в связи с чем расход энергии на единицу веса движущегося крупного наземного животного очень велик. Несомненно, что эта причина является одним из главных факторов, ограничивающих размер наземных животных и в особенности летающих животных, наибольший вес которых намного меньше наибольшего веса наземных форм.
Расход энергии у позвоночных животных возрастает также при действии у них эффективного механизма терморегуляции, о чем подробнее говорится ниже.
Очевидно, что уровень энергопотребления позвоночных животных зависит как от строения их организмов, так и от количества кислорода в атмосфере. Как известно, это количество на уровне земной поверхности мало изменяется в различных районах земного шара, но быстро убывает с высотой. Содержание кислорода в водоемах существенно зависит как от его концентрации в нижнем слое воздуха, так и от температуры воды и ряда других факторов. Обычно содержание кислорода в воде заметно уменьшается с глубиной. Чувствительность аэробных организмов к уменьшению парциального давления кислорода очень различна. Как показывают лабораторные эксперименты и наблюдения в природе, высокоразвитые животные плохо переносят заметное уменьшение парциального давления кислорода. При понижении этого давления в несколько раз у многих животных развивается явление гипоксии, которое заканчивается гибелью животного.
Значительный интерес представляет вопрос о влиянии на жизнедеятельность животных сравнительно небольших понижений парциального давления кислорода, на величины порядка нескольких десятков процентов от его величины на уровне моря. Наземные позвоночные животные могут, как правило, приспособиться к таким понижениям, что видно, в частности, из наличия в горах высотой в несколько километров разнообразной фауны. Было бы, однако, неправильно предполагать, что эти изменения количества кислорода не оказывают влияния на условия существования животных. Такое влияние может быть существенным из-за высокой чувствительности локальных экологических систем к изменениям абиотических факторов, влияющих на организмы. Сравнительно небольшие изменения этих факторов заметно влияют на численность различных животных, уровень их активности и т. д. В соответствии с этим даже не очень большие изменения парциального давления атмосферного кислорода должны определенным образом воздействовать на процесс естественного отбора.