Einheit der Evolution ist die Population, nicht das Individuum. Alle Allele (Genvarianten) ihrer Individuen bilden den Genpool, der Anteil eines Allels ist seine Allelfrequenz. Bei zwei Allelen mit den Frequenzen $p$ und $q$ gilt $p + q = 1$. Evolution ist die Änderung der Allelfrequenzen im Genpool von Generation zu Generation.

Rohstoff ist die erbliche Variation. Mutationen (zufällige, ungerichtete DNA-Änderungen) schaffen neue Allele, Rekombination (Neukombination bei Meiose und Befruchtung) neue Allelkombinationen. Die Fitness eines Genotyps ist seine mittlere Zahl fortpflanzungsfähiger Nachkommen. Bei der relativen Fitness $w$ erhält der erfolgreichste Genotyp den Wert 1, die anderen einen Bruchteil davon. Fitness hängt von der Umwelt ab und ist keine Körperkraft.

Selektion ist die Auslese durch Umweltfaktoren: Genotypen mit höherer Fitness hinterlassen mehr Nachkommen, ihre Allele werden häufiger. Sie wirkt auf den Phänotyp, verändert aber den Genpool. Je nachdem, welcher Teil der Merkmalsverteilung bevorzugt wird, unterscheidet man drei Formen:

Genfluss ist der Allelaustausch zwischen Populationen durch Wanderung und Fortpflanzung. Er gleicht Populationen an. Isolation unterbricht ihn, durch Barrieren (Meer, Gebirge) oder unterschiedliche Paarungszeiten.

Gendrift ist die zufällige Änderung der Allelfrequenzen, weil jede Generation nur eine Stichprobe der Allele weitergibt, unabhängig von der Fitness. Wie bei Münzwürfen schwankt der Anteil bei wenigen Würfen stark. Drift wirkt daher in kleinen Populationen stark und kann Allele ganz verschwinden lassen. Beim Gründereffekt gründen wenige Tiere eine neue Population, beim Flaschenhalseffekt überleben nach einer Katastrophe nur wenige: Der Genpool ist jeweils nur eine Stichprobe des alten.

Nach dem populationsgenetischen Artbegriff bilden Populationen eine Art, wenn sie über Genfluss einen gemeinsamen Genpool teilen und von anderen Gruppen durch Fortpflanzungsschranken getrennt sind. Bei der Artbildung bricht der Genfluss ab, und Mutation, Selektion und Drift trennen die Genpools.

• Allopatrisch (in verschiedenen Gebieten): Eine geografische Barriere trennt die Population, danach entsteht reproduktive Isolation (häufigster Weg), Beispiel Darwinfinken.
• Sympatrisch (im selben Gebiet): Isolation ohne räumliche Trennung, bei Pflanzen etwa durch Polyploidisierung (Verdopplung des Chromosomensatzes), bei Tieren durch Spezialisierung auf andere Nahrung oder Partner, etwa bei Buntbarschen in Kraterseen.
• Adaptive Radiation: rasche Aufspaltung einer Stammart in viele Arten, die verschiedene Nischen besetzen, etwa auf neu besiedelten Inseln.

Koevolution ist die wechselseitige Anpassung von Arten in enger Beziehung, jede ist Selektionsfaktor der anderen: Blüte und Bestäuber (Orchidee mit sehr langem Sporn, Nachtfalter mit passendem Rüssel), Räuber und Beute, Wirt und Parasit. Biodiversität ist die Vielfalt des Lebens als genetische Vielfalt, Artenvielfalt und Vielfalt der Ökosysteme. Mutation und Rekombination erzeugen die erste, Artbildung die zweite.

Ein Stammbaum zeigt Verwandtschaft: Jede Verzweigung ist ein gemeinsamer Vorfahre. Ein Merkmal ist ursprünglich, wenn es schon beim gemeinsamen Vorfahren der betrachteten Gruppe vorlag, und abgeleitet, wenn es in einer Linie neu entstand. Nur gemeinsame abgeleitete Merkmale belegen nähere Verwandtschaft, gemeinsame ursprüngliche nicht. Was ursprünglich ist, zeigt der Vergleich mit einer Außengruppe, die nicht zur untersuchten Gruppe gehört.

Homologe Merkmale gehen auf dasselbe Merkmal eines gemeinsamen Vorfahren zurück, auch wenn Funktion und Gestalt sich verändert haben: Die Vordergliedmaßen von Mensch, Fledermaus und Wal haben denselben Grundbauplan aus Oberarmknochen, Elle, Speiche, Handknochen und Fingern. Analoge Merkmale haben dieselbe Funktion und ähnliche Form, sind aber unabhängig entstanden, etwa die Flügel von Vogel und Insekt oder die Stromlinienform von Hai und Delfin. Ihre Entstehung unter ähnlichem Selektionsdruck heißt Konvergenz. Nur Homologien zeigen Verwandtschaft an.

Molekularbiologische Homologien sind übereinstimmende Abschnitte homologer Gene oder Proteine. Je mehr Unterschiede, desto länger liegt der gemeinsame Vorfahre zurück.

Sind Mutationen weitgehend neutral, sammeln sie sich etwa gleichmäßig an: Das ist die molekulare Uhr. Man eicht sie an einer durch Fossilien datierten Trennung. Da sich in beiden Linien Unterschiede ansammeln, gilt für $d$ Unterschiede, die Rate $r$ je Linie und die Zeit $t$: $d = 2 \cdot r \cdot t$. Beispiel: Trennung vor 30 Millionen Jahren und 6 Unterschiede ergeben $r = 6 : 60 = 0{,}1$ je Million Jahre. Grenzen: Die Raten schwanken zwischen Genen und Linien, Selektion stört den Takt.

Erste Zellen entstanden vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren aus unbelebten Stoffen. Im Urey-Miller-Experiment (1953) setzte man Wasser und die Gase, die man für die Uratmosphäre hielt (Methan, Ammoniak, Wasserstoff), in einer geschlossenen Apparatur elektrischen Entladungen aus. Im Wasser fanden sich Aminosäuren: Bausteine des Lebens können ohne Lebewesen entstehen. Grenze: Die Uratmosphäre gilt heute als anders zusammengesetzt.

Die Endosymbiontentheorie führt Mitochondrien auf aufgenommene aerobe Bakterien und Chloroplasten auf aufgenommene Cyanobakterien zurück. Belege: Doppelmembran, eigene ringförmige DNA, Bakterienribosomen, Vermehrung durch Teilung.

Die synthetische Evolutionstheorie verbindet Darwins Selektion mit Genetik und Populationsgenetik. Evolution ist die Änderung der Allelfrequenzen in Populationen durch die Evolutionsfaktoren Mutation, Rekombination, Selektion, Gendrift, Genfluss und Isolation. Erworbene Eigenschaften werden nicht vererbt, anders als Lamarck meinte.

Eine naturwissenschaftliche Theorie erklärt mit natürlichen Ursachen und macht überprüfbare Vorhersagen, die sie widerlegen könnten. Kreationismus und Intelligent Design berufen sich auf übernatürliche Eingriffe, sind nicht prüfbar und daher keine naturwissenschaftlichen Erklärungen. Glaubensaussagen über Sinn und Ursprung der Welt beantworten andere Fragen.