細菌と半自律的オルガネラの類似性
共生仮説では、ミトコンドリアや葉緑体は細菌が真核細胞に入り込んで共生関係を結んだことから生まれたとされていますので、細菌とこれらの半自律的オルガネラの類似性は、この仮説が正しいことを示す有力な証拠となります。
- 機能
ミトコンドリアは、紫色の好気性細菌と非常によく似た特徴を持っています。 どちらも酸素を使ってATPを生産し、クレブのサイクルと酸化的リン酸化を使ってATPを生産しています。 左がミトコンドリア、右が紫色の好気性細菌）
葉緑体は、光エネルギーを利用して化学エネルギーに変換するクロロフィルを持っているという点で、光合成細菌と非常によく似ています。 左が葉緑体、右が光合成細菌）
ミトコンドリアと紫の好気性細菌、葉緑体と光合成細菌には多くの共通点がありますが、それらはわずかであり、進化によって生じたもののようです。
- 大きさ
バクテリアと比較したミトコンドリアや葉緑体の大きさも、内生共生仮説を裏付けるシンプルな観察結果です。 ミトコンドリア、葉緑体、原核生物（バクテリア）の大きさは、約1ミクロンから10ミクロンです。
- DNA、RNA、リボソームとタンパク質合成
内共生仮説を裏付けるために必要な最初の証拠は、ミトコンドリアと葉緑体が独自のDNAを持っているかどうか、そしてそのDNAがバクテリアのDNAと似ているかどうかでした。 これは後に、DNA、RNA、リボソーム、クロロフィル（葉緑体の場合）、タンパク質合成についても同様であることが証明された。 これは、内共生仮説の最初の実質的な証拠となった。
ミトコンドリアが自分のDNAを持ち、細胞とは無関係に分裂するということは、卵細胞だけがDNAを持ち、精細胞はDNAを持たないため、最終的に母親に遺伝するのはミトコンドリアのDNAだけということになります。
このように半自律的な細胞小器官が独立しているということは、真核細胞の核や他の細胞小器官とはあまり関係がないということです。 関連性がないということは、ミトコンドリアや葉緑体はもともとバクテリアで、エンドサイトーシスによって真核細胞に入り込み、共生関係を築いていた可能性がより高いと思われます。
進化の原動力
そこで科学者たち（特にリン・マーギュリス）は、もしミトコンドリアと葉緑体が本当にエンドサイトーシスによって真核細胞に取り込まれたバクテリアであるならば、この共生関係を促進する歴史的な原動力があるはずだと考え始めました。 約38億年前、地球の大気には酸素が含まれていなかったため、嫌気性のバクテリアしか存在していませんでした。 約32億年前に光合成を行うバクテリアが誕生し、光合成の副産物として大量の酸素を生産するようになりました。 酸素は細胞にとって非常に有害であり、その結果、嫌気性の光合成細菌は環境の中で生き延びることができなくなった。 この時、嫌気性細菌の一部は好気性細菌に進化した。 好気性細菌は、酸素のある環境に適しており、酸素を使ってATP（簡単に手に入る大量のエネルギーを蓄える分子）を作ることもできます。 この2つのバクテリアに欠けていた重要な要素は、貪食作用によって周囲の環境から大量の栄養素を摂取する能力であった。 今から約15億年前、進化の過程で最初の有核細胞（真核生物）が誕生したが、この細胞は貪食によって大量の栄養素を取り込むという画期的な能力を持っていた。 真核細胞よりも先に、ミトコンドリアや葉緑体によく似たバクテリアが存在していたということは、進化の過程で真核生物がまったく別のものだったのではなく、バクテリアが真核細胞に組み込まれていったことを示している。
光合成細菌と好気性細菌は、真核細胞が保護と栄養の両方を提供し、真核生物が以前に解糖のみを使用していたときよりも多くのエネルギーを利用する方法を細菌が提供するため、自然にこの関係に入ることになりました。
これは解糖プロセスの第2段階（実際にATPを生成する唯一の段階）で、見ての通り合計4個のATP（正味のATPは2個）しか生成されません。
真核細胞が光合成細菌を取り込むことで、グルコース分子が生成され、それがミトコンドリアでの分解プロセスに使われることで、真核細胞は単独で行うよりもさらに多くのエネルギーを利用できるようになります。
二重のリン脂質二重層
内共生仮説を裏付ける非常に単純な証拠は、ミトコンドリアと葉緑体の両方に二重のリン脂質二重層があるという事実です。 これは、ミトコンドリアと葉緑体がエンドサイトーシスによって真核細胞に入ることによって生じたと考えられる。
好気性細菌（ミトコンドリアに似ています）と光合成細菌（葉緑体に似ています）の紫色の細胞は、どちらもリン脂質二重層を1つしか持っていませんが、エンドサイトーシスによって他の細胞に入るときには、二重のリン脂質二重層の2番目の層を形成する小胞によって結合されます。