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细胞内的膜系统，包括内质网和高尔基体，是一个非常复杂的体系，需要数百种蛋白质的参与才能运作。除了识别“路牌”的蛋白质、防止肽链交缠沉淀的伴侣蛋白，膜上让蛋白质通过的通道、在腔内对蛋白质进行加工的酶以外，膜的变形、形成运输小囊泡、决定小囊泡的运行路线，以及让小囊泡和膜（溶酶体膜和细胞膜）融合，都需要特殊的蛋白质。人们不禁要问，真核细胞是如何发展出这套复杂的系统的？除了膜系统，要进入内质网的蛋白质还需要在氨基端另加一段信号肽，在蛋白质进入内质网后又被切掉。这段附加的肽链需要在基因中加上为它们编码的核苷酸序列，这又是如何发生的？
图3-35 膜融合蛋白将运输小囊与目标膜融合在一起。插在运输小囊膜上的小突触小泡蛋白与插在目标膜上的突触融合蛋白在彼此接近时，会与突触联系蛋白25的融合区段紧密结合，像拉链一样向膜融合处推进，使得原来的膜在此处断开，运输小囊膜和目标膜形成新的连接。下图显示运输小囊与膜融合的过程，突触联系蛋白25没有画出
回答这个问题的一个途径是比较各种真核生物的细胞内膜系统和与它们的运作有关的基因。如果这套膜系统是真核生物出现后才逐渐发展出来的，那么有些比较原始的真核生物也许就只具有还没有发展完全的膜系统，与这套膜系统的运作有关的基因也许还不完全。但是基因比较的结果表明，所有的真核生物都具有全套的有关基因，包括小分子的GTP酶（Sar1、Arf、Ras、Ran、Rab）、突触融合蛋白（Syntaxin家族蛋白，包括Syn5、Syn7、Syn12、Syn18、Syn16/TLG12、Vam13、pep1等）、结合突触融合蛋白的Vps33、Vps45、Sly1、Sec1等，以及结合在膜上使其变形的网格蛋白、COPⅠ复合物、COPⅡ复合物。这说明这套系统出现的时间非常早，在所有真核生物的共同祖先中就已经发展完善了。
看看原核生物细胞转运蛋白质的情况，也许可以给我们一些启示。原核细胞没有吞食功能，细胞外的蛋白质、淀粉、脂肪无法直接加以利用。原核生物利用这些物质的方法是分泌消化酶到细胞外，把这些物质降解，然后吸收降解所产生的小分子如氨基酸、葡萄糖和脂肪酸。对原核生物分泌到细胞膜外的蛋白质的序列分析表明，它的氨基端有一个信号肽。这个信号肽和进入内质网的蛋白分子氨基端的信号肽相似，它也含有一连串亲脂的氨基酸残基，前面有一个或数个带正电的氨基酸残基。在被分泌到细胞膜外后，这段信号肽也被切掉。这说明蛋白质的穿膜信号在细菌中就已经发展出来了，真核细胞的信号肽是从细菌的信号肽继承下来的。
原核细胞识别信号肽的机制也和真核细胞相似。真核细胞使用细胞质中的信号识别颗粒（SRP）来识别刚从核糖体伸出的信号肽，并且将正在合成蛋白质的核糖体带到内质网膜上。细菌也使用信号识别颗粒SRP来识别蛋白质上的信号肽，并且将肽链带到细胞膜上。真核细胞的SRP含有6个蛋白质亚基（SRP72、68、54、19、14、9）和1个RNA分子。细菌的SRP也含一个RNA分子，但是只含1个蛋白质分子，叫做Ffh（名称来自Fifty four homologue）的蛋白质，类似于真核SRP中的SRP54亚基。古菌的SRP除了含SRP54的类似蛋白外，还含有与SRP19类似的蛋白，说明蛋白亚基SRP54是SRP中最基本、最必要的蛋白质。无论是真核生物、细菌还是古菌，它们SRP颗粒中RNA的结构都非常相似。这些事实说明真核细胞的SRP是从原核生物中继承下来并且加以发展的。
真核细胞和原核细胞中蛋白质为穿过膜所使用的信号肽的相似性，以及信号识别颗粒SRP结构和功能的相似性，说明内质网膜是由原核细胞的细胞膜变化而来。只要把内质网腔看成是原核生物细胞膜以外的空间，蛋白质其实是使用同样的机制穿过膜。由于细胞核的外膜和内质网膜相连，真核细胞的核膜也应该是由原核细胞的细胞膜发展而来。很有可能核膜、内质网和高尔基体是在同一个过程中，由原核细胞的细胞膜向内折叠形成的。
溶酶体由单层生物膜包裹，里面不过是一些水解酶，没有DNA，没有合成蛋白质的能力，所以溶酶体虽然也是细胞器，但是不像线粒体和叶绿体那样是由被俘获的原核细胞变来的，而是在细胞内的膜系统形成时的一个产物。细菌本来就能够向细胞膜外分泌各种水解酶。溶酶体的酶进入内质网腔，就相当于被分泌到细胞外。只不过这些酶在被加上“路牌”（6-磷酸甘露糖）以后，经过高尔基体进入另外一个由膜包裹的囊罢了。一开始溶酶体内pH也许还不是那么低，是真核细胞在演化过程中逐步降低溶酶体腔内的pH，也让里面的酶工作的最佳pH降低，以避免这些水解酶对细胞自身的伤害。酸度增加还有别的作用，例如内体在与溶酶体融合前酸度会逐渐增加，使受体和它结合的分子解离，以便受体可以加以回收，再回到细胞表面。
真核生物的细胞中的膜系统的来源有解释了，那么小囊运输的机制又是如何发展出来的呢？要膜形成小囊，需要有蛋白质结合在膜的局部，让其变形，再有蛋白质将突出来的泡状结构“掐下”，使其成为游离的小囊，还要有机制让膜之间融合，以便“提交货物”。这就是前面介绍的能够对生物膜“动手术”的蛋白质。迄今为止，这些蛋白质还没有在原核细胞中发现，所以原核细胞也没有形成小囊泡的能力。这是不是意味着小囊运输完全是真核细胞的新发明呢？
2010年，科学家发现，一种叫做“隐球出芽菌”（ Gemmata obscuiglobus ）的原核生物能够“吞下”多种蛋白质，包括绿色荧光蛋白（GFP）、牛血清白蛋白（BSA）、卵清蛋白（ovalbumin）等。隐球出芽菌属于“浮霉菌门”（ Planctomycete ），细胞膜外没有肽聚糖（peptidoglycan）的阻挡，也许这是它能够吞食的原因之一。更出人意料的是，隐球出芽菌细胞内有由两层膜包裹的细胞核和一层位于细胞质内的膜。这层膜还没有把细胞质分为彼此隔离的空间，而只是把细胞质大致分为两个相通的区域（图3-36）。这些结果说明，隐球出芽菌也许已经发展出了使膜变形的蛋白质。这类蛋白质也许能够使细菌的细胞膜向内折叠，形成细胞膜内的膜系统，包括核膜和后来的内质网和高尔基体。真核生物的细胞内膜系统也许就是在这样原始的原核细胞膜系统的基础上发展起来的。
图3-36 隐球出芽菌的细胞膜和细胞内的膜系统。除了核膜外，其余细胞内的膜是不封闭的，不会把细胞质分为彼此隔绝的两部分
真核生物细胞内膜系统的出现，包括核膜、内质网、高尔基体、溶酶体，是真核细胞结构和功能上的一次大飞跃。它使得真核生物的生理活动能够在更高的水平上进行。核膜的出现使得基因可以通过使用外显子的组合方式产生多种蛋白质，而溶酶体这个细胞内的“胃”和“回收中心”的出现给了真核细胞吞噬微生物和自我更新的能力。通过内质网和高尔基体对蛋白质分子的糖基化，使得真核细胞的表面能够有千差万别的糖蛋白种类，使得细胞间的相互识别成为可能，这是多细胞生物能够出现和发展的重要原因之一。