Bugün her hayvan ve bitki hücresinin içinde, enerji üretiminden sorumlu küçük yapılar bulunur. Mitokondri adı verilen bu organeller uzun süre hücrenin sıradan parçalarından biri sanıldı. Oysa yirminci yüzyılın ikinci yarısında yapılan çalışmalar, bu yapıların aslında çok eski bir ortaklığın kalıntısı olabileceğini gösterdi. Endosimbiyoz kuramı olarak bilinen bu düşünceye göre mitokondriler, bir zamanlar bağımsız yaşayan bakterilerdi ve daha büyük bir hücrenin içine girerek orada kalıcı bir yaşam sürdürmeye başladılar. Kuram ilk ortaya atıldığında pek çok bilim insanı tarafından aşırı spekülatif bulundu; çünkü bir canlının başka bir canlıyı sindirmek yerine onunla birlikte yaşamayı seçmesi, o dönemin rekabet merkezli evrim anlayışına pek uymuyordu.

Kuramın kabul görmesini sağlayan şey, birbirinden bağımsız pek çok kanıtın aynı noktada buluşmasıydı. Her şeyden önce mitokondriler, hücre çekirdeğindeki genetik malzemeden ayrı, kendilerine ait bir DNA taşır. Bu DNA, çekirdekteki doğrusal kromozomlara değil, bakterilerdekine benzer biçimde halka şeklindedir. Ayrıca mitokondriler hücre bölünmesinden bağımsız olarak, tıpkı bakteriler gibi ikiye bölünerek çoğalır. Protein sentezinde kullandıkları ribozomların yapısı da hücrenin geri kalanındaki ribozomlardan çok bakteri ribozomlarına benzer. Hatta bazı antibiyotiklerin bakterilerle birlikte mitokondrilerin işleyişini de etkileyebilmesi, bu akrabalığın dolaylı bir göstergesi olarak yorumlanır.

Benzer bir öykü bitki hücrelerindeki kloroplastlar için de geçerlidir. Fotosentezin gerçekleştiği bu organellerin, ışıktan enerji üretebilen siyanobakterilerin soyundan geldiği düşünülür. Kloroplastlar da kendi DNA'larını taşır ve bölünerek çoğalır. Bazı alglerde kloroplastların iki değil üç ya da dört zarla çevrili olması, bu ortaklığın tarih boyunca birden fazla kez ve iç içe geçmiş biçimlerde yaşandığını düşündürür. Başka bir deyişle, bir hücre fotosentez yapan bir hücreyi yutmuş, daha sonra bu birleşik yapı da başka bir hücre tarafından içselleştirilmiştir.

Bu ortaklığın nasıl başladığı hâlâ tartışma konusudur. Bir görüşe göre büyük bir hücre, avlamak amacıyla bir bakteriyi içine almış, ancak onu sindirmeyi başaramamıştır. Başka bir görüş ise ilişkinin başlangıçta karşılıklı bir madde alışverişine dayandığını, iki canlının birbirinin atıklarından yararlandığını öne sürer. Hangi senaryo doğru olursa olsun, sonuçta iki taraf da bu birliktelikten kazançlı çıkmıştır. Konuk bakteri korunaklı ve besin açısından zengin bir ortam bulmuş, ev sahibi hücre ise oksijeni kullanarak çok daha verimli enerji üretebilen bir iç santrale kavuşmuştur.

Kuramın öncülerinden biri olan Amerikalı biyolog Lynn Margulis, düşüncelerini yayımlamaya çalışırken uzun süre ret yanıtlarıyla karşılaşmıştır. Makalesinin pek çok dergi tarafından geri çevrildiği, sonunda yayımlandığında da yıllarca yalnızca küçük bir çevrede tartışıldığı bilinir. Kuramın geniş kabul görmesi, ancak DNA dizileme teknikleri geliştikten sonra mümkün olmuştur. Mitokondri DNA'sı ile çeşitli bakterilerin DNA'ları karşılaştırıldığında, mitokondrilerin belirli bir bakteri grubuyla belirgin bir akrabalık taşıdığı ortaya çıkmıştır. Bu gelişme, bilimde bir düşüncenin doğruluğunun çoğu zaman onu sınayacak araçların ortaya çıkmasını beklediğini gösteren iyi bir örnektir.

Endosimbiyoz yalnızca geçmişte kalmış bir olay da değildir. Günümüzde bazı böceklerin hücrelerinde yaşayan ve onlara besinlerinde eksik olan maddeleri sağlayan bakteriler bulunur. Bu bakterilerin bir kısmı, ev sahibinin dışında yaşayamayacak kadar küçük genomlara sahiptir. Bazı deniz canlıları ise yuttukları alglerin kloroplastlarını bir süre canlı tutarak onlardan enerji elde edebilir. Bu örnekler, araştırmacılara mitokondri ve kloroplastın geçirdiği uzun dönüşümün ara aşamalarını günümüzde gözlemleme fırsatı sunar.

Zaman içinde bu ilişki o kadar derinleşmiştir ki ortaklardan hiçbiri artık diğerinden ayrı yaşayamaz. Mitokondrinin işleyişi için gereken genlerin büyük bölümü, milyonlarca yıl içinde çekirdeğe taşınmıştır. Bu nedenle mitokondriyi hücreden çıkarıp bağımsız bir canlı gibi yaşatmak mümkün değildir. Bu durum, evrimde rekabet kadar iş birliğinin de belirleyici olabileceğini gösteren en çarpıcı örneklerden biri kabul edilir. Karmaşık yaşamın, birbirini yok etmek yerine bir arada var olmayı öğrenen canlılardan doğmuş olması, biyoloji tarihinin en ilginç sürprizlerinden biridir.