Levolució és el procés de canvi en totes les formes de vida al llarg de les generacions, i la biologia evolutiva és l'estudi de com i per què té lloc l'evolució. Un organisme hereta caràcters dels seus pares a través dels gens. Canvis (anomenats mutacions) en aquests gens poden produir un nou caràcter en el descendent d'un organisme. Si el nou caràcter fa que aquest descendent s'adapti millor al seu ambient, tindrà més èxit a l'hora de sobreviure i reproduir-se. Aquest procés rep el nom de selecció natural, i fa que els caràcters útils esdevinguin més comuns. Després de moltes generacions, una població pot adquirir tants caràcters nous que es converteix en una nova espècie.

La comprensió de la biologia evolutiva comença amb la publicació l'any 1859 de l'obra de Charles Darwin L'origen de les espècies. A més, el treball de Gregor Mendel amb les plantes contribuí a entendre els patrons hereditaris de la genètica. Això portà a una comprensió dels mecanismes de l'herència. Descobriments posteriors sobre la manera en què muten els gens, així com avenços en la genètica de poblacions, revelaren més detalls de com té lloc l'evolució. Els científics tenen actualment una bona comprensió de l'origen d'espècies noves, procés anomenat especiació; han observat aquest procés tant al laboratori com en el camp. Aquesta visió moderna de l'evolució és la teoria principal que utilitzen els científics per comprendre la vida.

La idea de Darwin: evolució per selecció natural

Charles Darwin desenvolupà la idea que cada espècie s'ha desenvolupat a partir d'avantpassats amb característiques similars, i el 1838 descrigué com un procés que ell anomenà selecció natural podria fer que passés això. La idea de Darwin de com funciona l'evolució es basava en les observacions següents: 1. Si tots els individus d'una espècie es reproduïssin amb èxit, la població d'aquesta espècie augmentaria de manera descontrolada. 2. Les poblacions tendeixen a tenir una mida similar d'un any a l'altre. 3. Els recursos ambientals són limitats. 4. En una determinada espècie no existeixen dos individus que siguin exactament idèntics. 5. Gran part d'aquesta variació en una població pot ser transmesa als descendents.

Darwin deduí que, com que els organismes produeixen més descendents dels que el seu ambient pot mantenir, hi ha d'haver una lluita competitiva per la supervivència – només uns quants individus de cada generació poden sobreviure. Darwin s'adonà que no era únicament la sort la que determinava la supervivència. De fet, la supervivència depèn dels caràcters de cada individu i de si aquests caràcters contribueixen o perjudiquen la supervivència i la reproducció. Els individus ben adaptats tenen més probabilitats de deixar més descendents que els seus competidors menys ben adaptats. Darwin s'adonà que les capacitats desiguals dels individus a l'hora de sobreviure i reproduir-se podien causar canvis graduals en les poblacions. Els caràcters que contribueixen al fet que un organisme sobrevisqui i es reprodueixi s'acumularien al llarg de les generacions. En canvi, els que fessin més difícil la supervivència i la reproducció desapareixerien. Darwin utilitzà el terme «selecció natural» per referir-se a aquest procés.

Les observacions de variacions en animals i plantes formaren la base de la teoria de la selecció natural. Per exemple, Darwin observà que les orquídies i insectes tenen una relació propera que permet la pol·linització de les plantes. Remarcà que les orquídies tenen una varietat d'estructures que atrauen els insectes – de manera que el pol·len de les flores s'enganxava al cos dels insectes. D'aquesta manera, els insectes transporten el pol·len d'una orquídia mascle a una femella. Malgrat l'aparença elaborada de les orquídies, aquestes parts especialitzades es componen de les mateixes estructures bàsiques que formen altres flors. Darwin proposà que les flors de les orquídies no representaven l'obra d'un enginyer intel·ligent, sinó que estaven adaptades a partir de parts preexistents, a través de la selecció natural.

Darwin encara estava investigant i experimentant amb les seves idees de selecció natural quan rebé una carta d'Alfred Wallace que descrivia una teoria molt similar a la seva. Això portà a una publicació conjunta immediata d'ambdues teories. Tant Wallace com Darwin veien la història de la vida com un arbre genealògic, on cada bifurcació en les branques dels arbres representa un avantpassat comú. Les puntes de les branques representaven les espècies modernes, mentre que les branques representaven els avantpassats comuns que comparteixen moltes espècies diferents. Per explicar aquestes relacions, Darwin afirmava que tots els organismes vius estan relacionats, i que això implicava que totes les formes de vida descendien d'unes poques formes, o fins i tot d'un únic avantpassat comú. Denominà aquest procés «descendència amb modificació».

El 1859 Darwin publicà L'origen de les espècies, on descrivia de manera detallada la seva teoria de l'evolució per selecció natural. La seva teoria afirma que totes les formes de vida, incloent-hi els humans, són el producte de processos naturals continus. La implicació que totes les formes de vida de la Terra comparteixen un avantpassat comú s'ha trobat amb crítiques d'alguns grups religiosos que encara avui en dia creuen que les diferents formes de vida es deuen a una creació especial. Les seves objeccions contrasten amb el nivell de suport per la teoria, recolzada per més del 99% de la comunitat científica avui en dia.

Origen de la variació La teoria de Darwin de la selecció natural posà les bases de la teoria evolutiva moderna, i els seus experiments i observacions mostraren que els organismes d'una mateixa població eren diferents els uns dels altres, que algunes d'aquestes variacions eren heretades, i que aquestes diferències estaven influïdes per la selecció natural. Tanmateix, no podria explicar l'origen d'aquestes variacions. Com molts dels seus predecessors, Darwin cregué erròniament que els caràcters heretables eren un producte d'ús i desús, i que els caràcters adquirits durant la vida d'un organisme podien ser transmesos als seus descendents. En buscà exemples, com ara ocells que s'alimentaven a terra enfortint les potes a través de l'exercici, i perdent la força a les ales per no volar fins que, com l'estruç, ja no podien volar. Effects of the increased Use and Disuse of Parts, as controlled by Natural Selection Aquest error rebé el nom d'herència dels caràcters adquirits i fou part de la teoria de la transmutació de les espècies postulada el 1809 per Jean-Baptiste Lamarck. A finals del , aquesta teoria es conegué amb el nom de lamarckisme. Darwin creà una teoria sense èxit que anomenà pangènesi per intentat explicar com es podien heretar les característiques adquirides. A la dècada del 1880, els experiments d'August Weismann indicaren que els canvis per ús i desús no es podien heretar, i el lamarckisme perdé gradualment suport.

La informació que mancava per explicar com es transmeten caràcters nous d'un organisme als seus descendents fou proporcionada pel treball del pioner de la genètica Gregor Mendel. Els experiments de Mendel amb diverses generacions de pèsols demostraren que l'herència funciona separant i recombinant informació hereditària durant la formació de cèl·lules sexuals, i reformulant aquesta informació durant la fertilització. Això és com mesclar diferents mans de cartes, i cada organisme rep la meitat de cartes a l'atzar d'un pare, i l'altra meitat de la mare. Mendel denominà aquesta informació «factors»; tanmateix, més endavant se'ls conegué com a gens. Els gens són les unitats bàsiques de l'herència en els organismes vivents. Contenen la informació que dirigeix el desenvolupament físic i el comportament dels organismes.

Els gens es componen d'ADN, una llarga molècula portadora d'informació. Aquesta informació està codificada en la seqüència de nucleòtids de l'ADN, igual que la seqüència de lletres en les paraules porta informació en una pàgina. Els gens són com instruccions curtes compostes de les «lletres» de l'alfabet de l'ADN. En conjunt, la totalitat d'aquests gens proporciona prou informació com per servir de «manual d'instruccions» per construir i mantenir un organisme, Tanmateix, les instruccions codificades per aquest alfabet d'ADN poden ser alterades per mutacions, cosa que pot modificar les instruccions que porten el gens. Dins d'una cèl·lula, els gens es troben dins de cromosomes, que són paquets portadors d'ADN, i dins dels quals els gens es troben arranjats com els fils d'una corda. La recombinació dels cromosomes és el que resulta en combinacions úniques dels gens en els descendents.

Tot i que aquesta mena de mutacions de l'ADN són a l'atzar, la selecció natural no és un procés que depèn de la sort; l'ambient determina la probabilitat d'èxit reproductiu. El producte final de la selecció natural són organismes que estan adaptats al seu ambient actual. La selecció natural no implica progrés vers una meta. L'evolució no es dirigeix necessàriament vers formes de vida més avançades, més intel·ligents o més sofisticades. Per exemple, les puces (paràsits mancats d'ales) descendeixen de mecòpters alats ancestrals, i les serps són sargantanes que ja no necessiten potes – tot i que les pitons encara desenvolupen estructures minúscules que són els vestigis de les potes posteriors dels seus avantpassats. Els organismes són simplement el resultat de variacions que tenen èxit o no, segons les condicions ambientals del seu temps.

Els canvis ambientals ràpids solen causar extincions. De totes les espècies que han existit a la Terra, el 99,9% estan actualment extintes. Des que la vida començà a la Terra, hi ha hagut cinc grans extincions en massa que han provocat grans i sobtades baixes en la diversitat d'espècies. La més recent, l'extinció del Cretaci-Paleogen, tingué lloc fa 65 milions d'anys, i ha atret més atenció que la resta perquè exterminà els dinosaures.

Cal tenir clar que a la natura no existeix cap cursa cap a l'adaptació per poder sobreviure en un medi canviant. Els organismes no evolucionen per adaptar-se al medi, sinó que tenen més probabilitats de reproduir-se els que ja estan adaptats. Les modificacions genètiques que permeten l'adaptació tenen lloc abans que el medi canviï. Si fos a l'inrevés, els organismes s'extingirien abans de poder adaptar-se.

Síntesi moderna

La síntesi evolutiva moderna fou el resultat de la fusió de diversos camps científics diferents en una comprensió cohesionada de la teoria evolutiva. A les dècades del 1930 i del 1940 es feren esforços per unir la teoria darwiniana de la selecció natural, la investigació en l'herència, i la comprensió del registre fòssil en un model explicatiu unificat. L'aplicació dels principis de la genètica a poblacions naturals, per part de científics com ara Theodosius Dobzhansky i Ernst Mayr, avançaren la comprensió dels processos de l'evolució. L'obra del 1937 de Dobzhansky Genetics and the Origin of Species fou un pas important a l'hora d'omplir el buit entre la genètica i la biologia de camp. Mayr, basant-se en la comprensió dels gens i observacions directes dels processos evolutius en el treball de camp, introduí el concepte d'espècie biològica, que defineix una espècie com un grup de poblacions que crien entre elles o que poden fer-ho, i que estan reproductivament aïllades de la resta de poblacions. El paleontòleg George Gaylord Simpson contribuí a incorporar les investigacions paleontològiques, que revelaven un patró consistent amb el camí bifurcable i no direccional de l'evolució dels organismes predit per la síntesi moderna.

La síntesi moderna emfatitza la importància de les poblacions com a unitat de l'evolució, el paper central de la selecció natural com a mecanisme evolutiu més important, i la idea del gradualisme per explicar com es desenvolupen grans canvis com a resultat de l'acumulació de canvis petits al llarg de períodes llargs de temps.