ダーウィンの時代には「親の形質がどのような物質によって子へ伝わるのか」という遺伝の分子的実態は謎に包まれていました。この空白を埋めたのが、グレゴール・メンデルの遺伝の法則の再発見と、20世紀半ば以降のDNA二重らせん構造の解明です。
自然選択が機能するための原材料となるのが突然変異と遺伝的変異のメカニズムです。DNA複製時のエラー、放射線や化学物質による損傷、減数分裂時の染色体の乗換えや相同組換えによって、ゲノム配列にランダムな変異が生じます。
変異の大部分は生物にとって有害（中立または致死）ですが、極めて稀に「変化した環境下で有利に働く変異」が出現します。例えば、抗生物質を投与された細菌集団の中で、酵素の立体構造がわずかに変化した突然変異体が生き残り、薬剤耐性菌として急速に増殖する現象は、現代の医療現場でリアルタイムに進行している自然選択の明確な証拠です。
