Chất nhiễm sắc, nhân, hệ thống nội màng, và ty thể

Sinh vật nhân chuẩn có thể đã có mặt từ lâu trước quá trình oxy hóa khí quyển,[106] nhưng hầu hết các sinh vật nhân chuẩn hiện đại đều cần oxy, mà ty thể của chúng sử dụng để cung cấp ATP, nguồn cung cấp năng lượng bên trong của tất cả các tế bào đã biết.[108] Vào những năm 1970, có đề xuất và, sau nhiều cuộc tranh luận, đã chấp nhận rộng rãi rằng sinh vật nhân chuẩn xuất hiện do một chuỗi các sự nội cộng sinh giữa các "prokaryote". Ví dụ: một vi sinh vật săn mồi đã xâm chiếm một prokaryote lớn, có thể là một con vi khuẩn cổ, nhưng cuộc tấn công đã bị vô hiệu hóa, và kẻ tấn công đã cư trú trong nó và tiến hóa thành ty thể đầu tiên; một trong những con chimera này sau đó đã cố gắng nuốt một con vi khuẩn lam quang hợp, nhưng nạn nhân đã sống sót bên trong kẻ tấn công và sự kết hợp mới trở thành tổ tiên của thực vật; và tiếp tục. Sau khi mỗi sinh vật nội cộng sinh bắt đầu, kẻ đồng hành sẽ loại bỏ các sao chép chức năng di truyền không hiệu quả bằng cách sắp xếp lại bộ gen của chúng, một quá trình đôi khi liên quan đến việc trao đổi hệ gen giữa chúng.[111][112][113] Một giả thuyết khác cho rằng ty thể ban đầu là các endosymbiont chuyển hóa lưu huỳnh hoặc hydro, và sau đó trở thành người tiêu thụ oxy.[114] Mặt khác, ty thể có thể là một phần gốc của sinh vật nhân chuẩn.[115]

Có một cuộc tranh luận về việc khi nào sinh vật nhân chuẩn xuất hiện lần đầu tiên: sự hiện diện của steran trong tầng đá phiến ở Úc có thể chỉ ra rằng sinh vật nhân chuẩn có mặt cách đây 2.7 Ga;[107] tuy nhiên, một phân tích năm 2008 đã kết luận rằng các hóa chất này đã xâm nhập vào các tảng đá dưới 2.2 Ga và không chứng minh được gì về nguồn gốc của sinh vật nhân chuẩn.[116] Hóa thạch của loài tảo Grypania đã được báo cáo trong các tảng đá 1,85 tỷ năm tuổi (ban đầu là 2.1 Ga nhưng sau đó được sửa đổi[26]), và chỉ ra rằng sinh vật nhân chuẩn có bào quan đã phát triển.[117] Một bộ sưu tập tảo hóa thạch đa dạng đã được tìm thấy trong các loại đá có niên đại từ 1,5 đến 1,4 Ga.[118] Hóa thạch nấm được biết đến sớm nhất có niên đại từ 1.43 Ga.[119]

Lạp thể

Lạp thể, siêu lớp của các bào quan trong đó lục lạp là mẫu mực nổi tiếng nhất, được cho là có nguồn gốc từ vi khuẩn lam nội bào. Sự cộng sinh tiến hóa vào khoảng 1,5 Ga và cho phép sinh vật nhân chuẩn thực hiện quá trình quang hợp oxy.[108] Kể từ đó, ba dòng tiến hóa đã xuất hiện trong đó các lạp thể được đặt tên khác nhau: lục lạp (chloroplast) trong tảo xanh và thực vật, hồng lạp (rhodoplast) trong tảo đỏ và lam tử (cyanelle hay cyanoplast) trong glaucophyte.