세포 내 공생설(細胞內共生說, Endosymbiotic theory)은 서로 다른 종류의 원핵생물들이 공생 관계를 맺은 결과 진핵생물이 진화하게 되었다는 과학적 가설이다. 이 이론에 따르면, 미토콘드리아와 엽록체와 같은 세포 소기관은 한때 독립적으로 살아가던 자유 생활 원핵생물이었으며, 이후 더 큰 숙주 세포에 의해 포식되거나 침입한 후 소화되지 않고 세포 내에서 공생하게 되면서 오늘날의 세포 소기관으로 진화하였다.
이 가설의 핵심은 미토콘드리아와 엽록체가 세포핵의 지배를 완전히 받지 않고 자체 DNA와 리보솜을 가지며 독자적으로 분열할 수 있다는 점에 착안한 것이다. 구체적으로, 미토콘드리아는 호기성 세균(프로테오박테리아 계통)에서 유래하였고, 엽록체는 광합성 세균(시아노박테리아 계통)에서 유래한 것으로 추정된다.
이 개념의 역사는 20세기 초반으로 거슬러 올라간다. 1905년 러시아 생물학자 콘스탄틴 메레시콥스키(Mereschkowsky)가 엽록체의 공생 기원을 처음으로 체계적으로 주장하였고, 1920년대에는 이반 월린(Wallin)이 미토콘드리아의 세균 기원을 제안하였다. 그러나 당시 과학계는 이 이론을 대체로 부정적으로 받아들였다. 이후 1967년 린 마굴리스(Lynn Margulis, 당시 성은 Sagan)가 미토콘드리아, 엽록체, 그리고 편모의 (9+2) 미세소관 구조까지 모두 공생 기원을 가진다는 포괄적인 이론을 발표하면서 현대적 의미의 세포 내 공생설이 정립되었다. 마굴리스의 주장은 초기에는 15개 학술지에서 거절될 정도로 큰 저항에 부딪혔으나, 이후 분자생물학적 증거가 축적되면서 현재는 생물학 교과서에 수록되는 정설로 인정받고 있다.
이 이론을 지지하는 주요 증거는 다음과 같다. 첫째, 미토콘드리아와 엽록체는 세포핵과는 별개의 자체 DNA를 가지고 있으며, 이 DNA는 세균의 DNA와 유사한 환형 구조를 띤다. 둘째, 이들의 리보솜은 진핵세포의 세포질 리보솜보다 세균의 리보솜에 더 가깝다. 셋째, 이들은 이중막 구조를 가지는데, 내막은 원래 공생체의 세포막에서, 외막은 숙주 세포의 식포(phagosome)에서 유래한 것으로 해석된다. 넷째, 이들은 세포 분열과 독립적으로 자체 분열을 한다.
현대의 연구에 따르면, 미토콘드리아의 기원은 약 15억~20억 년 전으로 추정되며, 숙주 세포는 고세균(archaea) 계통의 혐기성 원핵생물이었을 가능성이 높다. 미토콘드리아의 조상은 알파프로테오박테리아(α-proteobacteria) 계통의 호기성 세균으로 여겨진다. 엽록체의 경우, 이후에 시아노박테리아가 이미 미토콘드리아를 가진 진핵생물 숙주에 의해 포획되어 공생하게 되면서 광합성 진핵생물(조류와 식물)이 출현한 것으로 본다.
세포 내 공생설은 진핵생물의 기원을 설명하는 가장 유력한 이론으로 받아들여지고 있으나, 세포핵의 기원, 편모의 기원 등 세부 사항에 대해서는 여전히 다양한 학설이 존재하며 논의가 진행 중이다.
