线粒体和叶绿体的起源，一直是科学界争论不休的热点话题。大家普遍接受的是内共生起源学说，可是也有人支持非内共生起源学说。这两个理论互相竞争，都想证明自己的正确性。内共生起源学说认为，线粒体和叶绿体最初是细菌或者蓝藻进入宿主细胞并建立共生关系后演化而成的。有大量证据支持这个观点。把线粒体、叶绿体与细菌的基因组拿来比较，发现它们的DNA序列非常相似，这表明它们可能有着共同的祖先。另外，叶绿体中的tRNA合成酶和线粒体中的蛋白质合成因子都更倾向于与细菌的核糖体合作。这些观察结果给内共生起源学说提供了重要支持。同时，线粒体内膜结构和细菌质膜相似，外膜和宿主细胞内膜系统相似。还有五大“活化石”证据进一步强化了这个观点。不过内共生学说还存在一些未解之谜。例如原始真核细胞是怎么形成的？为什么大量代谢基因会从线粒体转移到细胞核里？为什么线粒体和叶绿体中含有大量内含子？这些问题让内共生学说暂时无法盖棺定论。非内共生起源学说则认为，线粒体和叶绿体是由原始真核细胞内的膜泡分化演化而来的。原核细胞基因组复制后不分裂，膜泡就形成了。不同功能的膜泡逐渐失去一些基因并成为各种细胞器。这个学说可以解释为什么只有某些特定细胞器能够分化出来。但是非内共生学说也面临挑战，例如它无法解释线粒体和叶绿体与细菌在蛋白质合成系统、膜脂成分以及酶系谱系上的高度相似性。到目前为止，双方还没有找到确凿的实验证据证明自己的观点是正确的。或许真相并不是非黑即白的选择，而是两者共同作用的结果：早期膜泡分化奠定基础，随后基因横向转移与内共生最终塑造出现代的线粒体与叶绿体。