地球生命生物进化史上最重要的发展之一发生在大约20亿年前，第一批真核生物出现（含有独特细胞核的单细胞生物）。这第一个真核血统随后将产生包括植物和动物在内的所有高等生物。真核生物包括原生生物界、真菌界、植物界和动物界。

真核细胞具有由染色体、核仁、核液、双层核膜等构成的细胞核；原核细胞无核膜，故无真正的细胞核，仅有由核酸集中组成的拟核。

真核细胞的转录在细胞核中进行，蛋白质的合成在细胞质中进行，而原核细胞的转录与蛋白质的合成交联在一起进行。

真核细胞有内质网、高尔基器、溶酶体等细胞器，原核细胞没有。

真核生物中除某些低等类群（如甲藻等）的细胞以外，真核细胞的染色体上都有5种或4种组蛋白与DNA结合，形成核小体；而在原核生物，虽然普遍都有碱性蛋白与DNA相结合，但有关的碱性蛋白与真核细胞的组蛋白是不同的。

但是，真核与原核两大类生物都遵循“中心法则”，都用同一套遗传密码，膜构造和蛋白质合成方式也基本一致等，都表明它们有统一的来源，最原始的真核生物的直接祖先很可能是一种异常巨大的原核生物。

几年前，微生物学家分析了海洋沉积物中的DNA序列。这些沉积物是在北冰洋大西洋中部山脊上一个名为洛基城堡的热液喷口中被发现。对它们所含DNA分子的测序显示，它们来自一组以前不为人知的微生物，序列数据表明它们与古生代有密切的亲缘关系。科学家对一组神秘单细胞生物的生态学进行了一项新研究，认为氢在真核生物的进化中发挥了重要作用。

真核生物最有可能出现的情况是，它们起源于一种共生关系，在这种共生关系中，宿主是古生物细胞，共生体是细菌。一种假说认为，古生菌宿主的新陈代谢依赖于氢，线粒体的前体产生了氢。这一“氢假说”假设，这两个配对细胞可能生活在富含氢的缺氧环境中，如果它们与氢源分离，它们将变得更加依赖彼此生存，有可能导致内共生事件。如果洛基考古群，也依赖于氢，这将支持氢的假说。然而，到目前为止，这些古生物在其自然栖息地的生态状况还是个猜测。

不过数据分析证实了洛基古菌确实使用氢气固定二氧化碳。这一过程提高了新陈代谢的效率，并能让这些物种保持高水平的生化活动，尽管它们的缺氧自然栖息地的能量有限。实验证据证实了第一个真核细胞的氢假说，因此，最早的真核生物可能起源于缺氧和富含氢的海洋沉积物。

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