„Wiederentdeckt“ wurde die Symbiogenese-Theorie mehr als sechzig Jahre später durch die Amerikanerin Lynn Margulis, offenbar in Unkenntnis der alten russischen und deutschen Arbeiten. Sie stützte sich vor allem auf eigene elektronenmikroskopische Untersuchungen. Vielfältige weitere Evidenzen aus anderen Disziplinen – Biochemie, Genetik, Pharmakologie, Evolutionsforschung und Ökologie – haben der Theorie gegen heftige Widerstände schließlich zur allgemeinen Anerkennung verholfen. Allerdings sind es keine Algen, aus denen die Plastiden der Pflanzen entstanden sind, sondern Cyanobakterien (die früher fälschlich meist als blaugrüne Algen bezeichnet worden waren).

Zu den stärksten Argumenten für die Endosymbionten-Theorie gehört, dass sowohl Mitochondrien als auch Plastiden eigene DNA und einen eigenen genetischen Apparat zur Proteinsynthese besitzen. Die DNA ist wie bei Bakterien ringförmig und nicht in Histone verpackt, die RNAs und Ribosomen sind ebenfalls vom Bakterien-Typ. Allerdings ist der Genbestand drastisch reduziert; die meisten Proteine der Organellen werden von Genen des Zellkerns kodiert. In den Chloroplasten grüner Pflanzenzellen hat der DNA-Ring (die cpDNA) eine Größe von bis zu 200.000 Basenpaaren und liegt in etwa 20 bis 40 Kopien vor; da grüne Pflanzenzellen zahlreiche Chloroplasten enthalten, entspricht das tausend oder mehr cpDNA-Kopien pro Zelle. Mitochondriale DNA (mtDNA) in tierischen Zellen ist wesentlich kleiner, nur etwa 14.000-19.000 Basenpaare in fünf bis zehn Kopien pro Mitochondrium. Weil aber jede Zelle bis über tausend Mitochondrien enthält, macht diese mtDNA etwa ein Prozent der Gesamt-DNA der Zelle aus.

Unter heute lebenden Organismen gibt es viele, die sich als Modellsysteme für die Symbiogenese von Mitochondrien und Plastiden anbieten. Der primitive Erdpilz Geosiphon beispielsweise bildet gelegentlich Strukturen aus, in die er durch Phagocytose bestimmte Cyanobakterien (Nostoc punctiforme) aufnimmt, die für den Pilz die Funktion von Chloroplasten übernehmen und seinen Energiebedarf zur Fixierung von Luftstickstoff decken. Viele Organismen - vom einzelligen „Grünen Pantoffeltierchen“ (Paramecium bursaria) bis hin zu Korallen und der Riesenmuschel Tridacna - nehmen Chloroplasten-haltige Algen in sich auf, die dann für den Wirtsorganismus Photosynthese betreiben. In all diesen Fällen ist die Symbiose jedoch nicht obligat; die beiden Partner können auch unabhängig voneinander existieren. Bei Mitochondrien und Plastiden ist das anders: Sie haben längst ihre Autonomie verloren und unterliegen der Kontrolle des Zellkerns ihrer Wirtszelle.

Durch das Studium solcher Symbiogenese-Modelle hat man endlich auch eine Systematik in die unübersichtlichen Verwandtschaftsverhältnisse der verschiedenen Algengruppen bringen können. Die Plastiden der Rotalgen und der Grünalgen, einschließlich der von diesen abstammenden höheren Pflanzen, gehen auf eine primäre Endosymbiose (wie bisher beschrieben) zurück. Alle anderen Algen haben Plastiden, die nicht von zwei, sondern drei oder sogar vier Membranen umgeben sind und gelegentlich sogar zellkernähnliche Reste enthalten. Hier handelt es sich um sekundäre Endosymbiosen, bei denen die Wirtszellen andere plastidenhaltige Eucyten (Grün-oder Rotalgen) phagozytiert hatten. Dinoflagellaten sind sogar durch tertiäre Endosymbiose entstanden, eine Situation wie bei den russischen Matrjoschka-Puppen: Ein begeißelter Einzeller verschlang eine sogenannte haptophyte Alge, die selbst durch Einverleibung einer Rotalge in einen Einzeller entstanden war, während die Rotalge selbst aus einer (vermutlich bereits eukaryotischen) Wirtszelle hervorging, die Cyanobakterien aufgenommen und zu ihren Plastiden gemacht hatte.

Die Symbiogenese der Mitochondrien erfolgte offenbar noch bevor eine primäre Endosymbiose mit Cyanobakterien stattfand. Mitochondrien sind genetisch stärker in die Wirtszelle integriert als Plastiden, und es gibt keine plastidenhaltige Zellen ohne Mitochondrien. Wann ist es zu diesen für die Entwicklung allen höheren Lebens entscheidenden Schritten gekommen? Molekulare Uhren, die auf Mutationsraten in den Gensequenzen beruhen, sind für so weit zurückliegende Ereignisse, für die es keine Referenzsysteme gibt, nicht verlässlich; die Angaben schwanken zwischen 850 Millionen und 2 Milliarden Jahren vor unserer Zeit. In den letzten Jahren sind in präkambrischen Gesteinen immer mehr Mikrofossilien nachgewiesen worden, die freilich nicht einfach zu interpretieren sind. Nach heutigem Wissenstand gab es Cyanobakterien sicher schon vor mindestens 2,7 Milliarden Jahren. In etwa 1,2 Milliarden Jahre altem Gestein hat man mehrzellige Fossilien gefunden, die der heute lebenden Rotalge Bangia erstaunlich ähnlich und zweifellos als Eukaryoten anzusprechen sind. Irgendwann in der Zeit davor haben demnach die symbiogenetischen Ereignisse, die zu Mitochondrien und Plastiden führten - die wichtigsten Evolutionsschritte auf dem Weg zu höher entwickeltem Leben - stattgefunden.