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早元古代，当大气中的氧气增加到大气总量的1％时，出现有核细胞。固有的核细胞需要有氧代谢，而有核细胞无法抵御强大宇宙射线和紫外线。因此，只有在地球有足够的氧气形成阻挡辐射的臭氧层后，它才适合产生和繁殖。有核细胞，一般又被称为真核细胞。
与细胞核一起，它将进一步分为核仁、核液和染色体。它还将促进细胞吞噬其他细胞，并在细胞内形成叶绿体、线粒体、核糖体和溶酶体。因此呢，它们比原核细胞要大得多，也比原核细胞要复杂的多本身也可以分工合作。因此，细胞核可以说是储存、复制和转录遗传信息的主要场所。因此，真核细胞的出现是生物学史上的一次重大飞跃。
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真核细胞的出现使藻类进入了前所未有的繁荣阶段。不仅如此，它还为有性生殖和多细胞进化提供了基础，进而为各种高等动植物提供了基础。例如，13亿年前在中国山西省永济地区的岩层中发现了一个长椭圆形藻类化石。它的表面具有独特的螺旋槽装饰，与现代沼泽中的绿藻螺旋藻非常相似，它很有可能是已知的最早的有性繁殖的真核细胞的的化石，这对于研究有性繁殖是如何起源的有重要的参考价值。
地球上最早的真核细胞是在25亿年前从澳大利亚的沉积岩中获得的。以生物标志物甾烷的形式从岩石中分离出来；这些化石可能是19亿年前加拿大燧石层中的一些球形化石；在中国河北省的岩石中也发现了许多保存完好的真核球状化石，可追溯到18亿至17亿年前。
多细胞藻类时代(距今18至10亿年)
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随着有核藻类的出现，藻类空前繁荣。藻类的增加肯定会导致细胞的分化这就可以促成细胞向多细胞而进化，哪衣藻来举例子，衣藻的的分裂出的子细胞一般情况下是独立于母细胞生存的但是它们在不利的条件下，也许会“藏”在母细胞中，这样就能形成原始的多细胞的藻类，甲藻则会更进一步，它们是由13-18个细胞组成。细胞之间有一定的联系和统一的作用；绿脓杆菌更进一步。由32～64个细胞组成。细胞之间有分工。一个或两个细胞失去繁殖能力，成为营养细胞；Volvox中有更多的细胞。它由数百个甚至数万个细胞组成，细胞之间有原生质丝，大多数细胞专门负责营养。这是多细胞进化的过程，在化石藻类中也可以看到。
多细胞藻类和真核细胞的出现，促使了物种多样性。例如，在太古宙的10亿年中，原核细胞进化到4000多个物种，而在有核细胞和多细胞细胞出现的15亿年中，它们很快就发展到100000多个物种，这显然与多细胞和有性生殖的出现有关。
原生动物时代（距今10至5.4亿年)
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虽然中元古代有许多细胞藻类，但它们的个体非常小，只有借助放大镜和显微镜才能看到。然而，原生动物时代，藻类的进化，这就出现了很多大型多细胞的藻类，这就为以后的蕨类生物的进化打好了坚实的基础。
那么更让人注意的是原生动物时代晚期动物的出现，那么这也是一个跨时代的事情。虽然世界各地都有古动物化石的报道，但在中国贵州瓮安的磷矿岩层中发现了大量的球形微体化石，大小约为0.5mm，细胞分裂。而且这些分裂后的细胞会呈现螺旋排列，这就和藻类的细胞分裂大不相同，它们非常接近海洋中无脊椎动物的胚胎，因此呢这些奇特的化石被认为是最早的动物胚胎的化石。
早在2005年，中科院南京地质古生物研究所研究员尹雷明与国外学者一起发现，这类化石是在6.32亿年前的硅质层中发现的，在胚胎细胞外包裹着一层囊肿，囊肿外有刺状突起，变成了真正的休眠卵。这个发现非常的重要，因为它再次地证明了瓮安这个地方发现了动物的胚胎化石，而且将动物化石的发现向前推进了5000万年。不幸的是，在宜昌只发现了动物的蛋化石，但没有发现成年动物。在瓮安和宜昌，这些数千枚蛋化石是由什么动物产生的仍然是个谜。
