1800-luvulle tultaessa ajateltiin yleisesti, että maailma oli luotu valmiina, sellaisena kuin se tänä päivänä on. Eliöitä pidettiin muuttumattomina. Orgaanisen evoluution eli eliöiden muuttumisen perusajatusta oli kuitenkin jo ehditty pitkään ajatella. Eri eliölajien keskinäinen samankaltaisuus ja fossiilien samankaltaisuus nykyisten eliöiden ja toistensa kanssa tunnettiin (fossiilit ovat kuolleiden eläimien kivettymiä). Jean Baptiste de Lamarck oli esittänyt että eliölle kehittyy elinaikanaan ominaisuuksia, jotka sitten periytyvät sen jälkeläisille ja eliöt näin muuttuvat.
1830-luvulla Charles Darwin oli mukana maailmanympärysmatkalla, jonka aikana hän tutki maapallon eri osien eliölajistoa. Matkan jälkeen hän kehitti evoluutioteorian. Merkittävimpänä tekijänä evoluutioajatuksen synnyssä pidetään sitä että Darwin näki eliöiden maantieteellistä muuntelua niiden luontaisessa elinympäristössä. Samankaltaisissa paikoissa eri puolilla maailmaa saattoi esiintyä samankaltaisia tai täysin erilaisia lajeja.
Samoihin aikoihin sademetsiä tutkinut Alfred Russell Wallace päätyi samanlaiseen ajatukseen Darwinin kanssa. Heidän mukaansa lajit eivät ole muuttumattomia vaan niiden samankaltaisuudet juontuvat yhteisestä alkuperästä, yhteisestä etäisestä esi-isästä. 1859 julkaistiin Darwinin kirja Lajien synty, jossa esitettiin evoluutioajatus.
Darwinin evoluutio-ajatuksen perusidea oli että uudet lajit syntyvät jo olemassa olevista lajeista luonnonvalinnan avulla yksilöiden taistellessa olemassaolosta. Tämä ajatus koostui viidestä osasta:
1.Jatkuva muutos Eliöiden ominaisuudet muuttuvat ajan kuluessa. Tämä havaitaan mm. fossiiliaineistossa.
2.Yhteinen alkuperä Kaikki eliöt ovat sukulaisia toisilleen.
3.Luonnonvalinta Jotkut ominaisuudet antavat kantajalleen keskimääräistä suuremman määrän jälkeläisiä, jolloin tämä ominaisuus yleistyy populaatiossa (ks. populaation määritelmä alla).
4.Vaiheittainen muutos (eli gradualismi). Suuret erot eliöiden välillä ovat syntyneet monista pienistä muutoksista.
5.Lajien monistuminen Uudet lajit syntyvät kun vanhat lajit muuttuvat ja jakaantuvat erilaisiksi ryhmiksi.
Vaiheittaisen muutoksen luonteesta väitellään; määrätyissä olosuhteissa uusien lajien muodostuminen voi tapahtua nopeasti lyhyen ajan kuluessa, jonka jälkeen laji pysyy suunnilleen muuttumattomana pitkän aikaa. Teoria luonnonvalinnasta on nykyaikainen tieteellinen teoria, joka onnistuneesti selittää monia luonnossa havaittuja ilmiöitä.
Luonnonvalinta on mekanismi, joka aiheuttaa evolutiivista muutosta. Luonnonvalinta koostuu seuraavista osista:
1.Muuntelu: Eliölajin eri yksilöiden välillä on muuntelua, ts. yksilöillä on erilaisia ominaisuuksia.
2.Periytyvyys: Tämä muuntelu osittain periytyy vanhemmilta niiden jälkeläisille.
3.Hyödylliset ominaisuudet: Jotkut ominaisuudet ovat omassa elinympäristössään elävälle eliöille hyödyllisempiä kuin jotkut toiset.
4.Yksilöiden erisuuruinen lisääntymiskyky: Ne yksilöt, joilla on hyödyllinen ominaisuus, sopivat elinympäristöönsä muita yksilöitä paremmin. Tämän ansiosta ne jättävät jälkeensä keskimäärin enemmän jälkeläisiä.
5.Hyödyllisten ominaisuuksien kertyminen: Monien sukupolvien kuluessa paremman lisääntymiskyvyn aikaansaavat hyödylliset ominaisuudet yleistyvät populaatiossa. Näin populaatio sopeutuu ympäristöönsä.
Luonnonvalinta siis "valitsee" parhaat yksilöt, jotka sitten pääsevät lisääntymään edelleen. Samalla se "karsii" huonompia yksilöitä pois.
Darwinin evoluutioteorian suurin heikkous oli siinä, ettei hän pystynyt selittämään periytymisen mekanismia. 1900-luvulla kun Gregor Mendelin geneettiset kokeet selittivät periytymisen, ja kun mutaatioiden ja geneettisen materiaalin uudelleenjärjestäytymisen havaittiin synnyttävän uutta muuntelua, syntyi uusdarwinismi eli synteettinen evoluutioteoria. 1930-luvun jälkeen uusdarwinismia alettiin tutkia populaatiogenetiikan näkökulmasta. Vaiheittain syntyi nykyaikainen evoluutioteoria, joka on pääpiirteissään samanlainen kuin Darwinin alkuperäinen teoria.
Evoluution kuluessa eliöt siis muuttuvat. Keskeinen evoluution tapahtuma on lajiutuminen; uusien lajien syntyminen vanhoista. Lajien yhteinen alkuperä tarkoittaa tätä. Lajiutumisen kautta ovat syntyneet kaikki maapallolla koskaan eläneet eliölajit. Yli 3,5 miljardia vuotta sitten maapallolla eli eliölaji, joka on kaikkien sen jälkeen eläneiden lajien esi-isä. Kahden samankaltaisen lajin yhteinen esi-isä on elänyt vähemmän aikaa sitten kuin kahden hyvin erilaisen lajin esi-isä.
Yleensä lajiutuminen alkaa kun kaksi saman lajin populaatiota eristyvät toisistaan niin, että näiden ryhmien yksilöt eivät pääse lisääntymään keskenään. Näin käy kun esimerkiksi jokin vesistö erottaa populaatiot toisistaan. Lajiutumista voi tapahtua myös ilman toisistaan eristyneitä populaatioita, mutta tarkastellaan nyt toista näistä kahdesta toisistaan eristyneistä populaatiosta:
Populaation eri yksilöiden välillä on perinnöllistä muuntelua eli eri yksilöillä on erilaisia ominaisuuksia. Uutta muuntelua syntyy koko ajan muun muassa mutaatioiden ja ansiosta. Ne yksilöt, jotka sopivat ominaisuuksiensa ansiosta parhaiten elinympäristöönsä, selviytyvät keskimääräistä paremmin ja saavat jälkeläisiä keskimäärin enemmän kuin muut yksilöt. Jälkeläiset perivät vanhemmiltaan näitä hyviä ominaisuuksia. Tällöin nämä ominaisuudet yleistyvät lajin sisällä ja laji muuttuu. Yksilön lisääntymistehokkuutta parantavat ominaisuudet "tulevat valituiksi". Hyvin pitkän ajan kuluttua populaation yksilöt ovat muuttuneet selvästi erilaisiksi alkuperäiseen verrattuna.
Samoin tapahtuu toiselle populaatiolle. Sattuman ja ympäristöolosuhteiden ansiosta tämäkin populaatio on muuttunut, mutta erilaiseksi toiseen populaatioon verrattuna. Jos populaatioiden yksilöt ovat niin erilaisia että ne eivät pysty lisääntymään keskenään, lasketaan ne eri lajeiksi. Yhdestä lajista on tällöin syntynyt kaksi.
Lajiutumista voi tapahtua myös ilman toisistaan eristyneitä populaatioita.
Muuntelua eliöihin luo sattuma. Kaiken uuden muuntelun taustalla ovat mutaatiot. Niissä eliöiden geeneihin syntyy sattumanvaraisia muutoksia. Mutaatiot voivat olla eliölle hyödyllisiä, haitallisia tai neutraaleja. Luonnonvalinta karsii haitalliset mutaatiot pois populaatiosta. Jäljelle jäänyttä mutaatioiden tuottamaa muuntelua järjestävät populaatioissa uudelleen:
•Rekombinaatio: Vanhempien geenit yhdistyvät jälkeläisessä satunnaisella tavalla.
•Geenivirta: Populaatioon "virtaa geenejä" muualta tulevien eliöiden tuomina.
•Satunnainen tai epäsatunnainen pariutuminen: Se että lisääntymiskumppania ei valita satunnaisesti vähentää yksilöiden monimuotoisuutta.
•Geneettinen ajautuminen: Sattuman vaikutuksesta jotkut geenit yleistyvät pienessä populaatiossa.
Eliöiden ominaisuudet siis muodostuvat sattuman ja valinnan kautta. Evoluutiolla ei ole mitään päämäärää, sen tuloksena on vain jollakin tavoin ympäristöönsä paremmin sopeutuneita yksilöitä. Täydellisesti ympäristöönsä sopeutuneita eliöitä ei kuitenkaan voi syntyä, koska ympäristö muuttuu koko ajan, ja eliöiden kehityshistoria voi asettaa rajoituksia tulevalle kehitykselle.
Eliöiden muuttuminen toisenlaisiksi näkyy fossiiliaineistossa välimuotoina, ja sitä on havaittu 1900-luvulta alkaen myös suoraan luonnossa ja laboratorioissa. Luonnonvalinnan kautta tapahtuva muutos on yleensä hyvin hidasta; esimerkiksi lintujen kehittyminen nykyisenlaisiksi matelijoista kesti noin 300 miljoonaa vuotta.
Toisaalta evoluutio ei aina johda lajien muuttumiseen ja uusien lajien syntyyn. Lajit eivät välttämättä muutu, jos ne ovat jo sopeutuneet hyvin ympäristöön, joka pysyy samanlaisena pitkänä aikaa.
