尽管生活习性大相径庭，古菌的各个类群却有共同的、有别于其他生物的细胞学及生物化学特征。例如，古菌细胞膜含由分枝碳氢链与D型磷酸甘油，以醚键相连接而成的脂类，而细菌及真核生物细胞膜则含由不分枝脂肪酸与L型磷酸甘油，以酯键相连接而成的脂类。细菌细胞壁的主要成分是肽聚糖，而古菌细胞壁不含肽聚糖。
有趣的是，虽然与细菌相似，古菌染色体DNA呈闭合环状，基因也组织成操纵子（操纵子为原核生物基因表达和调控的基本结构单位，生物活性相关的基因常以操纵子的结构形式协调基因表达的开启和关闭），但在DNA复制、转录、翻译等方面，古菌却具有明显的真核特征：采用非甲酰化甲硫氨酰tRNA作为起始tRNA，启动子、转录因子、DNA聚合酶、RNA聚合酶等均与真核生物的相似。
比较生物化学的研究结果表明，古菌与细菌有着本质的区别，这种区别与两者表现在系统发育学方面亲缘关系的疏远是一致的。
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