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在演化过程中，原核生物逐渐分化为两大类：细菌和古菌。它们的大小差不多，都没有细胞核，DNA都呈环状，细胞内都没有由膜包裹的、叫作细胞器的结构，都用FtsZ蛋白进行细胞分裂，因此古菌也曾经被归类于细菌。但是随着研究的进展，人们认识到古菌和细菌之间还有许多差别，是彼此不同的两大门类。
例如，细菌的细胞壁是由肽聚糖组成的，长长的糖链（由葡萄糖的变种相连而成）之间通过由几个氨基酸组成的短肽链彼此相连，形成网格那样的结构。古菌的细胞壁不含肽聚糖，而是由糖蛋白组成，即主体是蛋白质，上面连有糖基。
细菌DNA结合的蛋白比较小，例如HU蛋白和H-NS蛋白，古菌DNA结合的蛋白比较大，是组蛋白，与真核生物DNA结合的组蛋白类似。
细菌在合成RNA时所用的RNA聚合酶比较简单，一般只含有4个蛋白亚基（蛋白质复合物中的单个蛋白），而古菌的RNA聚合酶比较复杂，常常含有10个蛋白亚基，更像是真核生物的RNA聚合酶。
许多古菌还能够在非常严酷的环境中生活，如极高温（122摄氏度）、极低温（-25摄氏度）、高盐（30%氯化钠，是海水盐浓度的8.5倍）、极酸（pH为0）、极碱（pH为12.8）、强辐射（比我们周围环境中的辐射强度高几十万倍）、极高压（如海沟深处的1100大气压），说明古菌的生存能力非常强。
细菌和古菌虽然有这些不同，但是它们之间的一次联合却导致了意义极其重大的事件，包括最后我们人类的出现，这就是真核生物的诞生。