핵막이 없는 원핵세포로 되어 있는 생물을 원핵생물이라고 한다. 원핵 생물은 약 30억 년 동안 살아온 생명체로서 지구에 생겨난 최초의 생명체이다. 오늘날 지구상에서 관찰되는 원핵생물로는 세균류와 남조류가 있으며 모두 단세포 생물이다.

원핵생물은 우리의 눈에는 잘 보이지 않는 현미경적 생물이지만 지구 생물권의 필수적인 집단으로서 생태계에서 매우 중요한 반응들을 수행할 뿐만 아니라 대기권의 중요한 구성 성분인 산소를 만들어내기도 하고 유전적인 다양성을 증가시키는데 기여하기도 한다.

원핵생물의 세포에는 DNA가 있으나 핵막이 없어서 핵이 관찰되지 않는다. 원핵생물은 핵막뿐만 아니라 미토콘드리아, 소포체, 골지체, 엽록체 등과 같은 막구조물의 세포소기관이 없어서 진핵생물의 세포보다 구조가 간단하다.

따라서 원핵생물은 미토콘드리아나 엽록체가 없어서 호흡과 광합성 등의 물질대사에 관여하는 효소들이 세포막에 붙어 있다. 원핵생물은 리보솜을 가지고 있으나 크기와 모양 등의 구조가 진핵생물의 것과는 크게 다르다.

원핵생물의 세포벽은 원핵생물 특유의 물질로 구성되어 있고, 분열법으로 번식하며 세포분열 때 염색체와 방추사가 형성되지 않는다.

세균류는 박테리아라고도 부르며, 단세포 생물이지만 2개 이상의 세포가 모여서 사슬 또는 포도 모양을 이루고 있는 것도 있으며, 모양에 따라 원형의 구균, 막대형의 간균, 나선형의 나선균 등으로 분류한다.

세균의 세포막은 펩티도글리칸(아미노산과 당류로 구성된 유기화합물)으로 구성되어 있다. 세균학의 문을 연 사람은 독일의 코흐(1843-1910)이다. 그는 탄저균, 결핵균, 콜레라균 등을 발견하였고, 결핵 진단에 쓰이는 투베르쿨린을 만들어서 1905년에 노벨 의학상을 받았다.

대부분의 세균은 필요한 영양 물질을 다른 생물에 의존하는 종속영양생물로서 유기물을 분해하는 분해자이며, 흔히 병원균이라 부르는 기생생물이 여기에 속한다.

구균에는 폐렴균과 임질균 등이 있고, 간균에는 대장균과 결핵균 등이 있으며, 나선균에는 콜레라균과 매독균 등이 있다. 그러나 홍색세균과 황세균 등은 세균엽록소를 가지고 있으며 빛에너지를 이용하여 광합성을 하고, 질산균과 아질산균 등은 화학에너지를 이용하여 화학합성을 하는 독립영양생물이다.

우리에게 유익한 세균으로는 김치, 요구르트, 치즈 등을 만드는데 이용하는 젖산균, 식초를 만드는데 이용하는 초산균(아세트산균), 항생제를 만드는데 이용하는 방선균 등이 있다. 특히 부패균은 동식물의 사체나 배설물을 분해시켜 생태계의 물질 순환에 커다란 역할을 한다.

남조류는 물 속에 살고 있는 조류와 비슷하여 오랜 동안 조류로 분류되어 오다가 핵막이 없는 원핵생물임이 밝혀지면서 세균류와 같이 원핵생물로 분류된다. 남조류는 광합성세균과는 달리 세균엽록소가 아닌 진정한 엽록소a를 가지고 있으나, 다른 식물과 같이 엽록체 속에 엽록소가 들어 있지 않고 세포질에 분산되어 있다.

남조류는 엽록소 외에도 남조소라는 색소를 가지고 있다. 남조류는 단세포 생물이지만 실 모양의 군체를 이루므로 다세포 생물처럼 보인다. 남조류의 세포벽은 세균류의 펩티도글리칸(아미노산과 당류로 구성된 유기화합물)과는 달리 셀룰로오스와 펙틴으로 구성되어 있다.

대부분의 남조류는 플랑크톤으로서 어류의 먹이가 되며, 민물에 사는 염주말과 흔들말 등이 있다. 하천이나 호수에 생활 하수 등에 의한 유기물이 유입되면 부영양화(영양염류가 증가하는 현상)가 일어나면서 남조류가 대량으로 번식하여 강물이 녹색이나 남색으로 변하는 녹조현상이 나타난다. 녹조현상이 나타나면 햇빛이 차단되어 수중생태계가 교란됨으로써 어패류가 때죽음을 당한다.

남조류는 수중 환경에 서식하지만 점액질의 껍질을 가지고 있어서 건조한 환경에서도 잘 견딘다. 또한 남조류는 균류(곰팡이 종류)와 공생하여 열악한 환경에서도 잘 견디는 데 이러한 공생체를 지의류라고 한다.

지의류는 바위나 나무껍질과 같이 거친 지역에서 자라는 공생체로서, 남조류가 광합성으로 생산한 양분을 균류에게 공급하고 균류는 주위에서 흡수한 수분을 남조류에게 제공한다. 지의류는 포자로 번식하며 바위와 같이 척박한 환경에서도 잘 자라기 때문에 생물이 없는 황무지의 개척자로 작용한다.

또한 지의류는 대기오염 물질인 이산화황에 민감하여 대기오염이 심한 지역에는 살지 못하기 때문에 대기오염의 지표생물로 이용된다.

원핵생물에서 진핵생물로 진화되는 과정을 설명하는 가설로서 ‘세포막설’ 과 ‘세포공생설’ 두 가지가 있다. 세포막설에서는 원핵생물의 세포막이 안쪽으로 겹쳐지면서 진핵생물의 여러 가지 막구조물의 세포소기관이 생겨났다고 본다.

세포공생설에서는 원핵생물들이 서로 공생 관계를 이루면서 하나의 세포소기관으로 분화되었다고 본다. 즉 미토콘드리아는 호기성 세균에서 엽록체는 광합성세균에서 유래된 것으로 생각하여, 그 증거로서 미토콘드리아와 엽록체가 독자적인 DNA를 가지고 있으며 이중막으로 이루어졌다는 것을 제시한다.