实际上，关于细胞核和内质网的起源有不同的理论。
15亿多年前，一件重大的事情发生了：两个小小的原始细胞合二为一。也许，除了生命本身的起源之外，这次合并从根本上改变了我们星球的进化进程。
一个细胞最终进入另一个细胞内部，并进化成一种结构，这种结构被学生们称为“细胞的发电站”：线粒体。这种新的结构为它的宿主提供了巨大的能量优势 —— 这是后来复杂的多细胞生命进化的先决条件。
但这只是故事的一部分。线粒体并不是复杂的真核细胞中唯一重要的结构。这是膜结合的细胞核，基因组的守护者。有一个完整的细胞膜系统：内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体和液泡 —— 它们对制造、运输和回收细胞内外的蛋白质和其他货物至关重要。
但这些结构从何而来？由于远古时代的事件已经消失，几乎没有痕迹可以作为进化的线索，这是一个很难解决的问题。研究人员提出了各种各样的假设，但直到最近，借助一些新的工具和技术，细胞生物学家才能够研究这种复杂结构的起源，并对其可能的起源有所了解。
微生物合并
真核生物起源于两个细胞合并的观点可以追溯到100多年前，但直到20世纪60年代才被接受或为人所知，当时已故的进化生物学家林恩·马古利斯（Lynn Margulis）阐述了她的内共生理论。马古利斯说，线粒体可能起源于一种被称为“阿尔法变形菌”的微生物，这是一个多样化的群体，今天包括导致斑疹伤寒的细菌，以及另一种对植物基因工程等很重要的细菌。
人们对原始宿主细胞的性质一无所知。科学家们提出，它已经相当复杂了，里面有各种各样的膜结构。这样的细胞能够吞噬和摄取物质，这是一种复杂且能量昂贵的真核生物特征，称为吞噬作用。这可能就是线粒体最初进入宿主的方式。
但是，这个被称为“线粒体晚期”假说的观点，并不能解释宿主细胞是如何以及为什么变得复杂的。
2016年，德国杜塞尔多夫大学的进化生物学家比尔·马丁（Bill Martin）、细胞生物学家斯文·古尔德（Sven Gould）和生物信息学家斯里拉姆·加格（Sriram Garg）提出了一个非常不同的模型，称为“线粒体早期”假说。他们认为，由于今天的原始细胞没有任何内部膜结构，因此15亿年前的细胞似乎也不太可能有这些结构。
相反，科学家们推断，在阿尔法变形菌在一个相对简单的宿主细胞内居住后不久，内膜系统，也就是今天在复杂细胞内发现的整个大杂烩的部分，可能就进化了，这种宿主细胞属于古细菌一类。膜结构可能是由线粒体祖先释放的气泡或囊泡产生的。
古尔德、加格和马丁指出，由于各种各样的原因，自由生活的细菌一直在脱落囊泡，所以认为，它们被封闭在宿主体内后会继续这样做似乎是合理的。
最终，这些囊泡会变得专门用于今天真核细胞内的膜结构的功能。它们甚至会与宿主细胞膜融合，这有助于解释为什么真核生物的质膜含有具有细菌特征的脂质。
阿姆斯特丹大学的生物化学家戴夫·斯柏杰（Dave Speijer）说，小泡可能起着重要的初始作用。这种新的内共生体会通过氧化脂肪酸并燃烧它们来产生大量有毒的化学物质，称为活性氧。戴夫·斯柏杰解释道：“它们会破坏一切，它们是有毒的，尤其是在细胞内部。将它们隔离在囊泡中有助于保护细胞免受伤害。”
古尔德、加格和马丁补充说，新访客带来的另一个问题也可以通过制造膜屏障来解决。在阿尔法变形菌到达后，它的DNA片段可能与古细菌宿主的基因组混合，打断了重要的基因。要解决这个问题，就意味着要进化出一种机制，将这些外来片段（今天被称为内含子）从基因的信使RNA拷贝中拼接出来，这样那些制造蛋白质的指令就不会被打乱。
但这又产生了另一个问题。蛋白质制造机器 —— 核糖体 —— 工作速度极快，每秒能将几个氨基酸结合在一起。相比之下，细胞的内含子去除系统是缓慢的，每分钟大约剪掉一个内含子。因此，除非细胞能够使mRNA远离核糖体，直到mRNA被正确处理，否则细胞会产生许多无意义的、无用的蛋白质。
细胞核周围的膜提供了一个答案。作为一个空间屏障，它允许mRNA剪接在细胞核内完成，而不含内含子的mRNA在细胞内部液体细胞质中被翻译。“这是细胞核起源背后的选择压力，”马丁说。为了形成它，内共生体分泌的囊泡会变平并包裹在基因组周围，形成一道屏障，阻止核糖体进入，但仍允许小分子自由通过。
一个由内而外的解释
简而言之，古尔德、加格和马丁的假设解释了为什么膜室进化：为了解决新客人带来的问题。德国海德堡EMBL的细胞生物学家高塔姆·戴伊（Gautam Dey）说，但这并不能完全解释阿尔法变形细菌最初是如何进入宿主体内的；它假设内共生体已经在体内了。生物化学家戴夫·斯柏杰说：“这是一个巨大的问题。”
2014年，伦敦大学学院的细胞生物学家巴兹·鲍姆（Buzz Baum）和威斯康星大学的进化生物学家大卫·鲍姆（David Baum）提出了另一种观点，即“由内而外”模型。在这种情况下，阿尔法变形菌和古细菌细胞注定是它的最终宿主，它们将以亲密的共生关系并肩生活数百万年，彼此依赖对方的代谢产物。
古细菌的细胞可能有长长的突起，就像在一些与其他微生物密切相关的现代古细菌上看到的那样。阿尔法变形菌会依偎在这些细长的延伸物上。
最终，这些突出物会包裹住阿尔法变形菌并将其完全包裹起来。但在此之前的很长一段时间里，古细菌细胞可能已经开始了一些空间分工：它会把信息处理的工作放在基因组所在的中心，而蛋白质构建等功能则在突起内的细胞质中进行。
巴兹·鲍姆说，这种由内而外模型的强大之处在于，在阿尔法变形菌完全封闭之前，它给了细胞无数的时间来进化出调节线粒体和其他最终完全封闭的膜室的数量和大小的方法。巴兹·鲍姆说：“除非你能规范它们，否则你就死定了。”
这个模型也解释了为什么原子核的形状是这样的；特别是，它为其异常大的孔隙提供了解释。鲍姆说，从古细菌细胞的中心内部看，这些长长的突出物可能是开口，可以自然地变成像那样的大毛孔。
最重要的是，这个由内到外的模型解释了阿尔法变形菌最初是如何进入古细菌宿主体内的。
不过，这种由内而外的模式仍有一些需要解释的特点。例如，由于古细菌的突出物包裹着线粒体，线粒体最终会出现在错误的地方 —— 内质网（细胞制造蛋白质的核糖体所在的管道网络）内。所以需要一个额外的步骤来让阿尔法变形杆菌进入细胞质。
但马丁的主要反对意见是，由内而外的模型并没有提供一种进化压力，这种压力会导致细胞核或其他膜结合的隔室首先出现。马丁说，这种由内而外的模式“是上下颠倒的”。
核心：中间的一个谜
尽管，这些模型都认为线粒体是从一种阿尔法变形菌进化而来的，但他们对细胞核和其他细胞器的起源有着截然不同的看法。
在古尔德、加格和马丁的模型中，所有这些结构的来源都是进化中的线粒体释放的囊泡。容纳活性化学物质或细胞货物的囊泡，以及移动这些货物的能力，很早就进化出来了。原子核会晚一些出现。
在由内到外的模型中，细胞核本质上是古细菌细胞在将其膜包裹在阿尔法变形菌周围后的残骸。所以，它马上就会出现。内质网也很早就形成了，是由那些挤压在一起的突起形成的。巴兹·鲍姆说，其他细胞器可能是后来从古细菌膜的芽中产生的。
因此，这些模型也对细胞器膜的化学性质做出了不同的预测（至少在最初是这样）以及今天的复杂细胞是如何形成膜脂的，这些膜脂的化学性质与细菌而不是古细菌中的膜脂相似。
在古尔德、加格和马丁的模型中，一开始除了宿主细胞的最外层外，所有的膜都是细菌的，就像新居民的膜一样。然后，当细菌囊泡与古菌外膜融合时，细菌脂质会慢慢取代古菌脂质。
在由内而外的模型中，细胞核和内质网的膜（可能还有其他的）将会像宿主一样，从古细菌开始。鲍姆认为，只有在后来，当细菌基因组的基因转移到古细菌基因组后，脂质才会在本质上变成细菌。
那该如何测试这些想法呢？通过实验，细胞生物学家开始窥见简单的囊泡如何分化成具有不同功能的不同细胞器 —— 通过呈现不同的形状，如现代内质网或高尔基体的层状膜堆叠，或者最终在囊泡内部或膜上含有不同的蛋白质。
他们还强调了现代线粒体的活力及其产生新膜结构的潜力。
例如，生物化学家戴夫·斯柏杰认为，为了处理活性氧而进化的隔室：过氧化物酶体。
2017年，蒙特利尔麦吉尔大学的细胞生物学家海蒂·麦克布莱德（Heidi McBride）报告说，缺乏过氧化物酶体的细胞可以从零开始产生它们。通过研究没有过氧化物酶体的突变人类成纤维细胞，她的团队发现，这些细胞将对过氧化物酶体功能至关重要的蛋白质放入线粒体中。然后，线粒体膜将它们释放成小气泡或小泡。
这些囊泡，或原过氧化物酶体，当它们与另一种来自内质网的囊泡融合，成熟为真正的过氧化物酶体，内质网携带第三种必要的过氧化物酶体蛋白质。“这是一种杂交细胞器，”麦克布莱德说。
对麦克布莱德来说，这表明过氧化物酶体（可能还有其他细胞器）最初来自线粒体（不像以前认为的那样只来自内质网）。“线粒体的存在启动了新细胞器的生物生成，”她说。“就过氧化物酶体而言，这是非常直接的。”
线粒体的其他怪异行为也被注意到了。
首先，犹他大学生物化学家亚当·休斯（Adam Hughes）实验室2021年的一份报告发现，当酵母细胞被喂食有毒的氨基酸时，它们的线粒体会脱落装载转运分子的囊泡。转运蛋白将氨基酸转移到囊泡中，在那里它们不会毒害线粒体。
休斯还发现，线粒体脱落的囊泡可以形成长而多层的小管状延伸，让人想起内质网和高尔基体的分层堆叠。这些结构在细胞中存在很长时间。“它们绝对有自己独特的结构，”休斯说。
2022年，加州大学洛杉矶分校的免疫学家莉娜·珀纳斯（Lena Pernas）表明，线粒体衍生的多层结构也可以在其他情况下形成。她的研究小组发现，当细胞被弓形虫感染时，线粒体围绕在寄生虫周围并改变形状。寄生虫做出了反应，结果是线粒体最终脱落了大量的外膜。
免疫学家莉娜·珀纳斯在2016年的《生理学年度评论》中写了关于线粒体重塑的文章，他最近发现，这些结构最初看起来像简单的囊泡，也可以生长并呈现更复杂的形状，比如层层叠叠的片状层。更重要的是，感染的压力改变了放置在这些脱落的线粒体膜上的蛋白质种类。珀纳斯说，这样的变化为堆积的床单打开了一扇门，让他们以不同于通常的方式行事，为接受新工作提供了机会。
莉娜·珀纳斯和亚当·休斯对这些在完全不同的细胞和条件下发现的结构研究得越多，它们看起来就越相似。休斯说，想象这样一个在真核生物进化早期形成的结构是如何经过亿万年的自然选择，进化成今天存在于细胞中的一些膜室的，这是很诱人的。
也许，永远不可能确切地知道这么久以前发生了什么。但是，通过探索今天活着的细菌、古细菌和真核细胞中可能发生的事情，科学家们可以更清楚地了解什么是可能的，甚至是可能的。一个细胞进入另一个细胞，带来好处，但也带来问题，引发复杂的级联反应。然后，麦克布莱德说，“所有这些东西都开花了。”
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