細菌的各式裝甲披掛之下，一層不尋常的細胞膜將細菌的五臟六腑包在一起。這層細胞膜除了阻隔內(nèi)外環(huán)境，還發(fā)揮著其他高效集成的功能。
細胞膜主要由脂質(zhì)，多糖以及蛋白質(zhì)構成。這些結構的特殊理化性質(zhì)，可幫助細菌選擇性地允許物質(zhì)通過。比如細胞膜上的某些特殊的蛋白，像跨海隧道一樣，是某些關鍵物質(zhì)進出細菌的高速公路；又比如某些細胞膜上的微孔，像城墻上的射擊孔一般，細菌通過它將合成的水解酶分泌出去，把一些不能輕易吸收的有機大分子，分解為便于吸收的小分子。
除了作為內(nèi)外環(huán)境的屏障和通道，細胞膜還是細菌合成多種物質(zhì)的場所。在這個忙碌的裝配車間，前面提到的各種細胞壁的化學成分，比如肽聚糖、磷壁酸、脂多糖等等，有條不紊地合成著。
除此之外，細菌細胞膜最引人浮想聯(lián)翩的，可能就是能量工廠這個角色了。
那些通過氧化合成來提供能量的細菌，在細胞膜上鑲嵌著一系列的酶。這些酶按部就班將營養(yǎng)物質(zhì)一點點地和氧結合。在這個氧化過程中釋放來的化學能，會被細菌進一步轉化為自己最常用的能量形式。這些能源，像能量塊一樣，源源不斷的提供給細菌的其他部門，供其完成各種各樣的生命行為。這種氧化呼吸酶系的特殊能力，科學家稱之為細胞的呼吸作用。
在一些緊急情況下，比如細菌準備分裂產(chǎn)生后代，這些細菌的細胞膜就會增生，形成大量的皺褶，有時候這些皺褶甚至會形成囊狀，看起來像是一個獨立的功能單位?？茖W家將這種囊狀結構叫做中介體。這種富含呼吸作用酶系的中介體，不僅引導細菌的分裂，還大幅度提高產(chǎn)能的效率。
細胞膜的這種產(chǎn)能機制，將細菌的能量代謝推上一個更高的層次。沒有這種能力的細菌們，只能通過對糖份等營養(yǎng)物質(zhì)的有限加工來獲得很少的能量，但是有了這種能力的細菌，可以將糖完全氧化成二氧化碳和水，榨干糖分子所儲藏的全部化學能。
細菌的氧化呼吸酶系在化學結構上，和真核細胞線粒體膜的酶系非常接近。不僅如此，二者在形態(tài)，染色、物化性質(zhì)、活動狀態(tài)、遺傳體系等方面，都很相似，科學家們認為，這二者很可能有著共同的來源。菌種發(fā)酵
盡管仍然存在不小的爭議，現(xiàn)在比較流行的假說認為，遠古細菌分化為細菌、古菌以及真核細胞生物這三支之后，生物界中并沒有發(fā)生爆發(fā)式的變化。直到有一天，在某種細菌身上進化出了氧化呼吸作用的酶系。然后，這種細菌被真核細胞的祖先吞噬，不過它們沒有被消化，而是和后者融合共生。這些能產(chǎn)生呼吸作用的細菌變成了真核細胞的能量車間。從這一刻開始，生命驟然而興，百花齊放。假說認為，這些點燃生命引信的細菌，就是線粒體的始祖。