داروین ابتدا به هیچ وجه در پی به چالش کشیدن فرضیهٔ ثبات گونه‌ها نبود ولی ادامهٔ تحقیقات سؤالات بی‌پاسخ زیادی پیش پایش می‌گذاشت. یک سال پیش از شروع سفر، کتاب جنجال‌برانگیزی از چارلز لایل منتشر شده بود به نام «اصول زمین‌شناسی» که داروین نسخه‌ای از آن را همراه خود داشت. نویسنده در این کتاب مدعی شده بود که سطح زمین بر اثر فرآیندهای تدریجی تغییر می‌کند و دگرگونی پوسته زمین جریانی یکنواخت در طبیعت در طول تاریخ این کره‌است. وی توضیح می‌دهد که هر نوع موجود زنده ابتدا در مرکزی رشد می‌کند و از آن نقطه پخش شده‌است و نشان داد که مدتی دوام آورده تا تدریجاً از بین رفته و جای خود را به انواع دیگر داده‌است و آن را اصل مراکز آفرینش می‌نامد. از این رو او نتیجه گرفت که پیدایش انواع جدید جریانی پیوسته و یکنواخت در طول تاریخ زمین است. این نظریات که کاملاًً بر خلاف باورهای رایج زمانه بود، سر و صدای زیادی در محافل علمی برانگیخت. داروین با بررسی لایه‌های سنگی و سنگواره‌ها در نقاط مختلف شواهد زیادی در تأیید نظریات لایل یافت. در جزایر گالاپاگوس او فسیل‌هایی بسیار نزدیک ولی نه کاملاً همانند با اشکال زنده پیدا کرد. وی مشاهده کرد که لاک‌پشت‌های ساکن در هر جزیره اندکی با لاک‌پشت‌های جزیره مجاور متفاوتند و سهره‌های جزیره‌های مختلف تفاوت کمی با یکدیگر دارند. از نظر داروین بهترین توضیح آن بود که گونه‌ها تغییر می‌کنند و اعضای هر گونه نیای مشترکی دارند.

چهل سال پیش از او دانشمندی به نام تامس مالتوس در مقاله‌ای مدعی شده بود که سرعت رشد جمعیت آدمیان بیش از میزان تولید غذاست و چنانچه جمعیت بشر به طریقی کنترل نشود، با گذشت چند دهه غذای کافی برای همگان وجود نخواهد داشت و آدمی مجبور است برای به دست آوردن آن مبارزه کند.

داروین دریافت که آموزه‌های مالتوس نظریات او را تکمیل می‌کند. او نتیجه گرفت که پس از ایجاد تغییر در موجودات زنده، انواعی که با محیط طبیعی ناسازگار گشته‌اند حذف می‌شوند و انواعی که تغییراتشان آن‌ها را با محیط طبیعی سازگارتر کرده‌است، جای آن‌ها را می‌گیرند. داروین این پدیده را انتخاب طبیعی نامید.

از سال ۱۸۳۶ تا ۱۸۵۸ داروین مخفیانه و در اوقات فراغت روی نظریهٔ انقلابیش کار می‌کرد. او دیگر به وجود فرگشت موجودات زنده یقین پیدا کرده بود ولی از آن بیم داشت که با علنی کردن آن از سوی گروه‌های تندرو به کفرگویی متهم شود. او که می‌دانست با مطرح شدن نظریه‌اش چه جنجالی در جامعه و محافل علمی بر پا می‌شود، کوشید با انجام دادن آزمایش‌های فراوان روی گیاهان و جانوران و استفاده از تجربیات پرورش‌دهندگان کبوتر و خوک شواهد کافی و علمی برای نظریه‌اش فراهم آورد.

ارائه نظریه فرگشت

داروین به شکل یک کَپی که در واکنش به انتشار انشقاق انسان کشیده شده‌است.(از هورنت، ۲۲ مارس ۱۸۷۱)

صفحه اصلی کتاب منشاء گونه‌ها (۱۸۵۹)

پژوهش‌های داروین به آرامی پیش می‌رفت. در سال ۱۸۴۲ مقاله خلاصه‌ای از نظریه‌اش تألیف کرد و در سال ۱۸۴۴ رساله‌ای ۲۴۰ صفحه‌ای درباره انتخاب طبیعی نوشت. با وجود اصرار دوستان، وی همچنان در انتشار گسترده نظریاتش مردد بود و نتایج تحقیقات خود را فقط با برخی همکاران نزدیکش همچون چارلز لایل و جوزف هوکر در میان می‌گذاشت؛ اما دریافت نامه‌ای در ژوئن ۱۸۵۸ داروین را واداشت تا تردیدهایش را کنار بگذارد. نویسنده نامه زیست‌شناس جوانی بود به نام آلفرد راسل والاس که در بورنئو کار می‌کرد. او نیز درباره فرگشت به همان اندیشه‌های داروین رسیده بود. داروین ظرف دو هفته مقاله‌ای تهیه کرد و همراه با مقاله والاس به انجمن علمی لینیان فرستاد. دوستانش ترتیبی دادند که هر دو مقاله با هم عرضه شود اما همراه با مدارکی که حق تقدم داروین را ثابت کند. داروین که اراده‌اش بر اثر آگاهی از وجود رقابت برانگیخته شده بود پس از ارائه مقاله شروع به نوشتن کتابی کرد با عنوان « پیرامون آغاز گونه‌ها به وسیله انتخاب طبیعی یا بقای نژادهای اصلح در تنازع برای بقا ». در این کتاب که بعدها به عنوان « آغاز گونه‌ها » مشهور شد، وی کوشید نظریه فرگشت به وسیله انتخاب طبیعی را توضیح دهد و مدارک علمی برای آن ارائه کند.

نظریهٔ داروین-والاس

نظریهٔ داروین-والاس بر اساس سه مشاهده و دو نتیجهٔ کلی حاصل از این مشاهده‌ها، پایه گذاری شده‌است.

• مشاهده: اگر مقاومت محیطی نباشد، هر نوع جانداری، به قاعده تصاعد هندسی افزایش می‌یابد. به گفته دیگر، جمعیتی که در سال اول تعداد افرادش را دو برابر می‌سازد، بالقوه می‌تواند تعداد افرادش را در سال دوم، چهار برابر و در سال سوم، هشت برابر کند.
• مشاهده: اما در طبیعت، اگرچه گاه تغییراتی در اندازه جمعیت گونه‌ها رخ می‌دهد، اندازه جمعیت هر گونه از جانداران، در خلال مدتی طولانی ثابت می‌ماند.

نتیجه: پیداست که همهٔ گامت‌ها به زیگوت تبدیل نمی‌شوند، همهٔ زیگوت‌ها به صورت جانداران بالغ در نمی‌آیند و همهٔ افراد بالغ باقی نمی‌مانند و تولید مثل نمی‌کنند. بنابراین بایستی تنازع برای بقا در میان باشد.

• مشاهده: همهٔ افراد یک نوع جاندار نظیر یکدیگر نیستند، بلکه نسبت به هم تفاوت‌های فردی عمده‌ای نشان می‌دهند.

نتیجه: بنابراین، در تنازع بقا، افرادی که دارای تفاوت‌های مساعدترند، مزیتی در رقابت با دیگران خواهند داشت. پس تعداد بیشتری از آن‌ها باقی می‌مانند و فرزندان پرشمارتری تولید خواهند کرد.

چنان‌که دیده می‌شود، داروین و والاس محیط را علت اصلی انتخاب طبیعی می‌دانستند، یعنی محیط کم کم جانداران دارای صفات نامساعد را از میان می‌برد و جانداران دارای صفات مساعد را حفظ می‌کند. پس از گذشت نسل‌های زیاد و متوالی و تاثیر مداوم انتخاب طبیعی، سرانجام گروهی جاندار یک صفت یا تعدادی صفات جدید و مساعد را به درجه‌ای خواهد رساند که به صورت گونه‌ای جدید، از گونهٔ اجدادی ظاهر خواهد شد.

آنچه که داروین گفت

داروین از روی آزمایش‌هایش در مورد پرورش جانوران و مشاهده‌ی طبیعت متوجه شد مه زادگانی بیشتر از آنچه زنده می‌مانند به وجود می‌آیند. این موضوع در مورد گیاهان و جانوران از درختان تا فیل‌ها و هرچه که بین آنهاست، صادق بود. بعضی از جانوران میلیون‌ها تخم با هزاران لارو تولید می‌کنند، و برخی گیاهان میلیون‌ها هاگ یا دانه ایجاد می‌کنند، اما خوشبختانه کثریت عظیمی از این تولیدمثل اضافی به دوران بلوغ نمیرسد.

نیروی مشاهده‌ی صبورانه و دقیق داروین منتهی به تشخیص این شد که در طبیعت تفاوت‌هایی وجود دارد. در توله‌های یک سگ، بچه‌های ماهی کپور، افراد کشتی‌چسب یا گل ثعلب هیچگاه دو فرد شبیه همدیگر نیستند. جوانه زدن دانه‌های یک گیاه، نهال‌های متفاوتی به وجود می‌‌آورند. نبوغ داروبن در این بود که فهمید این تولیدمثل اضافی تفاوت‌ها مربوط می‌شود. سرانجام او به این تشخیص رسید که برای به دست آوردن منابع در طبیعت رقابت وجود دارد و این‌که تفاوت‌هایی که بهتر از همه بامحیط خو سازگاری یافته‌اند افرادی را که کمتر سازگاری یافته‌اند از میدان به در می‌کنند.

از آنجایی که محیط زیست این انتخاب را انجام می‌دهد، او آن را انتخاب طبیعی نامید در برابر انتخاب مصنوعی که توسط پرورش دهندگان انجام می‌شود. این فرایند به انشقاق همراه با تغییر منجر می‌شود که تعریف او از تکامل بود. امروزه از دانش ژنتیک، که در زمان داروین ناشناخته بود، برای درک شیوه‌ی کار این فرایند استفاده می‌شود. انشقاق همراه با تغییر را می‌توان به شکل تغییر در تکرر ژن‌ها توصیف کرد، تغییری در نسبت یک ‌ژن تغییر یافته در بینن تمام شکل‌های احتمالی دیگر همان ژن. انتخاب طبیعی تولید مثل افتراقی است. با بیان دیگر، در یک محیط زیست یک شکل بیشتراز شکل‌های دیگر زادگان خود را به جا میگذارد. محیط زیست عامل انتخاب کننده است.

داروین هیچ اطلاعی از منبع این تغییرات نداشت و هیچ راهی وجود نداشت تا او بفهمد که این تغییراتی را که او در آزمایش‌هایش بر روی پرورش جانوران مشاهده می‌کند اشتباه‌های شیمیایی، یا تغییر‌های ناگهانی موروثی در یک ژن (جهش) هستند.

به طور خلاصه تکامل عبارت است از انشقاق همراه با تغییر (تغییر در توالی ژن‌ها) که در اثر انتخاب طبیعی (تولیدمثل افتراقی) پیش می‌آید، و بر روی تغییراتی که در نتیجه جهش و عوامل دیگر ایجاد شده است اثر میگذارد، در حالی که محیط زیست کار انتخاب طبیعی را انجام می‌دهد.