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线粒体、叶绿体是具有双层膜的细胞器，但其外膜与内膜在性质、成分等方面具有明显差异。外膜与真核细胞相似，内膜与细菌质膜相似。
在电子显微镜下可以观察到线粒体和叶绿体内都有与细菌和蓝藻相似的裸露的环状DNA分子，都有与细菌和蓝藻一致的核糖体。但细菌基因组中不存在内含子，线粒体和叶绿体基因组中存在内含子。线粒体和叶绿体内的蛋白质，有少数几种由自身DNA指导合成，绝大多数由核DNA指导合成。线粒体和叶绿体都受到细胞核基因和自身基因的双重调控，因此，它们被称为“半自主性细胞器”。这与真核细胞内其他的细胞器有很大不同。
线粒体和叶绿体能像细菌一样进行分裂生殖。线粒体和叶绿体具有共生性。例如，鸡胚细胞线粒体可以在小鼠成纤维细胞中稳定存在，叶绿体可在某些软体动物细胞中生存，并进行光合作用。
关于真核细胞线粒体和叶绿体的起源，科学界提出过多种学说。其中，认可度最高的是“内共生起源学说”。内共生起源学说认为，线粒体和叶绿体分别起源于同原始真核细胞共生的需氧细菌和进行光合自养的蓝藻。原始真核细胞通过糖酵解获取能量，而线粒体的祖先——原线粒体（一种细菌）能进一步分解糖酵解产物丙酮酸，从而释放更多能量。当原始真核细胞吞噬原线粒体后，二者形成互利共生关系。原线粒体为原始真核细胞提供更为充分的能量，而原始真核细胞为原线粒体提供保护和营养条件。与此类似，叶绿体的祖先——蓝藻被原始真核细胞吞噬后通过光合作用为原始真核细胞提供能源物质，而原始真核细胞为蓝藻提供保护和营养条件，二者也形成互利共生关系。在漫长的生物进化中，原线粒体和蓝藻逐渐失去了一些原有特征，并关闭、丢失或向细胞核转移一些基因，最终形成了今天看到的线粒体和叶绿体。
