W książce Darwina z 1859 r. „O powstawaniu gatunków” zapytał, czy może być zaskoczeniem, że „odmiany przydatne w pewien sposób dla każdej istoty w wielkiej i złożonej bitwie życia, powinny czasami pojawiać się w ciągu tysięcy pokoleń?”. Czy te zmiany, argumentował, nie dałyby jednostkom o korzystnych cechach „ największą szansę na przetrwanie i rozmnażanie się ich gatunku?” Jego podsumowanie: „To zachowanie korzystnych odmian i odrzucenie szkodliwych odmian, nazywam Dobór naturalny”. Dobór naturalny jest wynikiem selekcji środowiska pod kątem korzystnych cech fizycznych – fenotypu – w populacji organizmy. Kiedy te cechy są dziedziczne, dobór naturalny ma również długofalowy wpływ na pulę genów populacji.
Naturalna selekcja
Wiele gatunków wykazuje różnice w swoich cechach fizycznych, a często te cechy występują wzdłuż kontinuum. Przykładami są wzrost lub kolor włosów. W tych cechach może istnieć naturalny zakres zmienności wśród wszystkich członków gatunku. Wyobraźmy sobie na przykład gatunek motyla, którego długość języka wynosi powiedzmy od 12 milimetrów do około 30 milimetrów. Jeśli nastąpi zmiana w przewadze długich, cylindrycznych kwiatów w ich otoczeniu, motyle z dłuższymi językami będą miały łatwiej zdobyć pożywienie. Te motyle mogą być zdrowsze od innych i mieć większe sukcesy w rozmnażaniu lub mogą mieć większe szanse na przeżycie wystarczająco długo, aby się rozmnażać.
Fenotyp i środowisko
Jak w przykładzie motyla, dobór naturalny występuje, gdy fizyczne cechy organizmu sprawiają, że jest on mniej lub bardziej przystosowany do rozwoju w środowisku. Cechy fizyczne nazywane są fenotypem; dlatego dobór naturalny działa bezpośrednio na fenotyp. Fenotyp organizmu jest determinowany zarówno przez wpływy środowiskowe, jak i genotyp. Oznacza to, że gdy organizm rośnie i rozwija się, czynniki środowiskowe mogą wpływać na jego wielkość i inne cechy fizyczne; ale kiedy jest poczęty, wiele jego cech jest z góry określonych przez genotyp. Dlatego wpływ środowiska na fenotyp populacji organizmów przekłada się na wpływ na genotyp tej populacji.
Fenotyp i genotyp
Związek między genotypem a fenotypem niekoniecznie jest prosty i bezpośredni. Oznacza to, że nie ma korelacji jeden do jednego między genem a cechą; nie zawsze jest tak proste, jak jeden gen kontrolujący jedną cechę. Myśląc o przykładzie motyla, motyle z długimi językami rozwijają się i wydają więcej potomstwa. Dlatego z biegiem czasu gen lub geny kodujące długie języki stają się bardziej powszechne w tej populacji motyli. Nie musi to jednak oznaczać, że następne pokolenie motyli będzie miało długie języki. Wynika to ze złożonego związku między genotypem a fenotypem. Nawet jeśli pojedynczy gen był odpowiedzialny za długie języki, trzy czwarte potomstwa rodziców o długim języku mogło być nosicielem genu krótkiego języka. Na wiele cech fizycznych wpływa jednak wiele genów, co jeszcze bardziej komplikuje sytuację.
Pula genów
Jeszcze ważniejszą miarą zmian genetycznych lub genotypowych jest częstotliwość wszystkich genotypów u wszystkich członków gatunku. Nazywa się to pulą genów i reprezentuje całkowitą możliwą zmienność cechy genetycznej.
Wracając do przykładu motyla, kiedy osobniki o długich językach są bardziej przystosowane do środowiska, następny pokolenie motyli niekoniecznie będzie miało większy procent genów długojęzycznych w swoim genie basen. Jednak z biegiem czasu, jeśli długie rurkowate kwiaty nadal będą dominować w środowisku, ciągła presja selekcyjna na fenotyp zmodyfikuje pulę genów gatunków motyli. Dokładny mechanizm zmiany genotypowej wciąż nie jest znany – iz pewnością jest inny w przypadku innych cech i poszczególnych gatunków.