Nghiên cứu giải phẫu học so sánh của các nhóm động vật hoặc thực vật cho thấy rằng các đặc điểm cấu trúc nhất định là tương đồng nhau. Ví dụ: cấu trúc cơ bản của tất cả hoa bao gồm lá đài, cánh hoa, đầu nhụy, vòi nhụy, nhụy hoa; Tuy nhiên, kích thước, màu sắc, số lượng của các bộ phận và cấu trúc cụ thể là khác nhau đối với từng loài. Giải phẫu thần kinh của hài cốt hóa thạch cũng có thể được so sánh bằng cách sử dụng các kỹ thuật hình ảnh tiên tiến.[39]

Hiện tượng lại tổ

Từng được coi là một sự bác bỏ đối với học thuyết tiến hóa, sự lại tổ "hiện được xem là bằng chứng mạnh mẽ về tiềm năng di truyền được giữ lại... sau khi một cấu trúc cụ thể đã biến mất khỏi một loài".[41] "Sự lại tổ là sự xuất hiện trở lại của một đặc tính điển hình đã mất của tổ tiên xa xôi và không được nhìn thấy trong cha mẹ hoặc tổ tiên gần đây..."[42] và là một "[dấu hiệu] về tính mềm dẻo phát triển tồn tại trong phôi..."[42] Sự lại tổ xảy ra do các gen quy định các đặc điểm kiểu hình hiện có trước đây vẫn thường được bảo tồn trong ADN, mặc dù các gen không được biểu hiện ở một số hoặc hầu hết các sinh vật sở hữu chúng.[43] Nhiều ví dụ đã ghi nhận sự xuất hiện của hiện tượng lại tổ cùng với nghiên cứu thực nghiệm kích hoạt sự hình thành của chúng. Do sự phức tạp và liên quan của các yếu tố dính liếu đến sự phát triển của bệnh teo, cả các nhà sinh học và chuyên gia y tế đều cảm thấy "khó khăn, nếu không nói là không thể phân biệt [chúng] với dị tật."[44]

Một số ví dụ về sự lại tổ được tìm thấy trong các tài liệu khoa học bao gồm:

• Chi sau ở cá voi.[42] (xem hình 2a)
• Sự tái xuất hiện chi ở các động vật có xương sống không chi.[41][42][45]
• Sự trở lại của cặp chân chèo trên cá heo mũi chai.[46]
• Thêm ngón chân của ngựa hiện đại.[42][47][48]
• Đuôi người (không phải đuôi giả)[44][49] và tăng thêm số lượng núm vú ở người.[42]
• Sự tái tiến hóa sinh sản hữu tính từ sinh sản đơn tính ở orbitid mites.[50]
• Răng ở gà.[51]
• Cựa ở chó.[42]
• Sự tái xuất hiện cánh ở những loài côn trùng không cánh như bộ bọ que [52] và bộ cánh da.[42]
• Lại tổ cơ bắp ở một số loại chim,[53][54] và động vật có vú như là chó săn thỏ[55] và chuột nhảy.[53]
• Thêm ngón chân ở chuột lang nhà.[42][56]

Sinh học phát triển tiến hóa và phát triển phôi

Sinh học phát triển tiến hóa là lĩnh vực sinh học so sánh quá trình phát triển của các sinh vật khác nhau để xác định mối quan hệ tổ tiên giữa các loài. Một bộ gen lớn của sinh vật chứa một một phần nhỏ gen điều khiển sự phát triển của sinh vật. Gen Hox là một ví dụ về các loại gen gần như phổ quát trong các sinh vật chỉ ra nguồn gốc của tổ tiên chung. Bằng chứng phôi học đến từ sự phát triển của các sinh vật ở cấp độ phôi được so sánh với phôi của các sinh vật khác nhau cho thấy sự tương đồng. Phần còn lại của các đặc điểm tổ tiên thường xuất hiện và biến mất trong các giai đoạn khác nhau của quá trình phát triển phôi.Một số ví dụ bao gồm:

• Tăng trưởng và rụng lông tơ trong quá trình phát triển của con người.[57]
• Sự phát triển và thoái hóa của túi noãn hoàng.
• Bộ không đuôi và bộ có đuôi trải qua giai đoạn ấu trùng trong trứng - với các đặc điểm của ấu trùng thủy sinh điển hình - nhưng lúc nở ra phải sẵn sàng cho cuộc sống trên cạn.[58]
• Sự xuất hiện của các cấu trúc giống như mang (cung hầu) trong sự phát triển phôi của động vật có xương sống. Lưu ý rằng ở cá, các cung tiếp tục phát triển dưới dạng cung mang trong khi ở người, chẳng hạn, chúng tạo ra nhiều cấu trúc khác nhau trong đầu và cổ.

Cơ quan tương đồng và sự phân tách tiến hóa (thích nghi)

Nếu các nhóm sinh vật đa dạng được phân tách có nguồn gốc từ một tổ tiên chung, chúng được dự kiến sẽ có những đặc điểm cơ bản nhất định. Mức độ tương đồng giữa hai sinh vật sẽ cho biết mức độ chặt chẽ trong mối quan hệ gần gũi của chúng trong quá trình tiến hóa:

• Các nhóm có ít điểm chung được cho là đã phân tách từ tổ tiên chung sớm hơn nhiều trong lịch sử địa chất so với các nhóm có nhiều điểm chung;
• Khi quyết định mức độ gần gũi của hai loài động vật, một nhà giải phẫu so sánh tìm kiếm các cấu trúc về cơ bản giống nhau, mặc dù chúng có thể phục vụ các chức năng khác nhau trong trưởng thành. Các cấu trúc như vậy được mô tả là cơ quan tương đồng và gợi ý về một tổ tiên chung.
• Trong trường hợp các cấu trúc tương tự phục vụ các chức năng khác nhau ở người trưởng thành, có thể cần phải truy tìm nguồn gốc của chúng trong phát triển phôi. Một nguồn gốc tương tự trong phát triển phôi cho thấy chúng có các cấu trúc đó là giống nhau, và do đó có khả năng bắt nguồn từ một tổ tiên chung.

Khi một nhóm sinh vật có cùng cơ quan tương đồng chuyên thực hiện nhiều chức năng khác nhau để thích nghi với các điều kiện môi trường và chế độ sống khác nhau một cách nhanh chóng, nó được gọi là bức xạ thích nghi (adaptive radiation). Sự lan truyền dần dần của các sinh vật với bức xạ thích nghi được gọi là tiến hóa phân kỳ (divergent evolution), là nguyên nhân dẫn tới sự hình thành loài.

Sự lồng nhau của hệ thống phân loại sinh học

Phân loại sinh học dựa trên thực tế là tất cả các sinh vật có mối quan hệ họ hàng với nhau trong hệ thống lồng nhau dựa trên các đặc điểm chung. Hầu hết các loài hiện nay có thể được sắp xếp khá dễ dàng trong một hệ thống phân loại lồng nhau. Điều này là hiển nhiên từ sơ đồ phân loại Linnaean. Dựa trên các các đặc tính nguồn gốc được chia sẻ, các sinh vật có mối quan hệ họ hàng gần gũi có thể được đặt trong một nhóm (chẳng hạn như một chi), một số chi có thể được nhóm lại thành một họ, một số họ có thể được nhóm lại thành một bộ, v.v..[59] Sự tồn tại của các hệ thống phân loại lồng nhau này đã được nhiều nhà sinh học trước Darwin công nhận, nhưng ông đã cho thấy rằng học thuyết tiến hóa của ông với mô hình phân nhánh chung của nó có thể giải thích nguyên nhân của sự phân loại này.[59][60] Darwin đã mô tả cách tổ tiên chung cung cấp một cơ sở logic để phân loại các sinh vật sống:[61]

Cây tiến hóa

Một cây phát sinh chủng loại (của động vật có màng ối (Amniota), là ví dụ, cho tổ tiên chung nhất của động vật có vú và bò sát và tất cả con cháu của nó) minh họa các điều kiện ban đầu gây ra các mô hình tiến hóa tương tự (ví dụ, tất cả các loài động vật có màng ối đẻ một quả trứng có chứa màng ối) và các mô hình phân tách giữa các chủng loài (ví dụ, động vật có vú và bò sát phân nhánh từ tổ tiên chung là động vật có màng ối). Cây tiến hóa cung cấp các mô hình khái niệm về các hệ thống tiến hóa từng được cho là hạn chế trong lĩnh vực đưa ra dự đoán vượt ngoài học thuyết.[62] Tuy nhiên, phương pháp dự đoán phát sinh chủng loại được sử dụng để suy ra dự đoán với xác suất lớn hơn nhiều so với các dữ liệu thô mà ta có. Ví dụ, các nhà cổ sinh vật học sử dụng kỹ thuật này để đưa ra dự đoán về các đặc điểm không thể quan sát được ở các sinh vật hóa thạch, như khủng long có lông và các nhà sinh học phân tử sử dụng kỹ thuật này để đưa ra dự đoán về chuyển hóa ARN và chức năng protein.[63][64] Do đó, cây tiến hóa là giúp đưa ra các giả thuyết tiến hóa đề cập đến các thực kiện cụ thể, chẳng hạn như đặc điểm của sinh vật (ví dụ: vảy, lông, lông), cung cấp bằng chứng cho các mô hình gốc và giải thích nguyên nhân cho sự biến đổi (ví dụ, chọn lọc tự nhiên hoặc trôi dạt trung tính (neutral drift)) trong bất kỳ dòng dõi nhất định (ví dụ động vật có màng ối). Các nhà sinh học tiến hóa kiểm tra học thuyết tiến hóa bằng các phương pháp sử dụng hệ thống phát sinh chủng loại để đo lường mức độ giả thuyết (một kiểu phân nhánh cụ thể trong cây tiến hóa) làm tăng khả năng có thể đúng của bằng chứng (sự phân bố các đặc tính giữa các dòng dõi).[65][66][67] Mức độ khốc liệt của các thí nghiệm cho một học thuyết tăng lên nếu các dự đoán thuộc dạng "ít có khả năng được quan sát nhất nếu sự kiện nhân quả không xảy ra."[68] "Khả năng thực nghiệm là thước đo xem giả thuyết tăng bao nhiêu khả năng có thể đúng của bằng chứng."[69]

Cơ quan thoái hóa

Bằng chứng cho sự tồn tại của tổ tiên chung đến từ sự tồn tại của các cơ quan thoái hóa.[70] Các cấu trúc thô sơ này thường tương đồng với các cấu trúc tương ứng trong các loài họ hàng hoặc tổ tiên. Một loạt các cấu trúc tồn tại như gen đột biến và không hoạt động, các bộ phận của hoa, cơ bắp, cơ quan và thậm chí cả hành vi. Sự đa dạng này có thể được tìm thấy trên nhiều nhóm loài khác nhau. Trong nhiều trường hợp chúng bị thoái hóa hoặc kém phát triển. Sự tồn tại của các cơ quan tiền đình có thể được giải thích dưới dạng những thay đổi trong môi trường hoặc phương thức sống của loài. Các cơ quan đó thường có chức năng trong các loài tổ tiên nhưng bây giờ hoặc là bán chức năng, không chức năng hoặc tái mục đích.

Tài liệu khoa học liên quan đến cơ quan thoái hóa (vestigial structures) rất nhiều. Một nghiên cứu đã đưa ra 64 ví dụ về cơ quan thoái hóa được tìm thấy trong tài liệu trên một loạt các ngành học trong thế kỷ 21.[71] Danh sách không đầy đủ sau đây tóm tắt Senter et al. cùng với nhiều ví dụ khác:

• Sự hiện diện của tàn dư ty thể (mitosome) đã mất khả năng tổng hợp ATP trong Entamoeba histolytica, Trachipleistophora hominis Cryptosporidium parvum, Blastocystis hominis và [[Giardia intestinalis].[72]
• Tàn dư bào quan lục lạp (vô sắc lạp) trong các loài tảo không quang hợp (Plasmodium falciparum, Toxoplasma gondii, Aspasia longa, Anthophysa vegetans, Ciliophrys infusionum, Pteridomonas danica, Paraphysomonas, Spumella và Epifagus americana.[73]
• Thiếu nhị hoa (không mạch nhị lép) trên các loài hoa như Gilliesia và Gethyum.[74]
• Nhị không chức năng ở hoa cái và nhụy không chức năng ở hoa đực của các loài xương rồng như Consolea spinosissima.[75]
• Nhụy hoa còn sót lại trên hoa cái của Fragaria virginiana;[76] tất cả các loài của chi Schiedea;[77] và trên Penstemon centranthifolius, P. rostriflorus, P. ellipticus, và P. palmeri.[78]
• Vết tích bao phấn trên Nemophila menziesii.[79]

• Sư tiêu biến chi sau và xương chậu nhưng vẫn được gắn vào cơ của cá voi (xem hình 2b).[80][81][82][83] Đôi khi, các gen mã hóa cho các chi dài hơn khiến một con cá voi hiện đại phát triển chân. Vào ngày 28 tháng 10 năm 2006, một con cá heo mũi nhọn bốn vây đã bị bắt và nghiên cứu do có thêm các chi sau.[84] Những cái chân của bộ cá voi này cho thấy một ví dụ về sự lại tổ được dự đoán từ tổ tiên chung của chúng.
• Cánh sau không chức năng ở Carabus solieri[85] và những con bọ cánh cứng khác.[81]
• Mắt còn sót lại (và cấu trúc mắt) ở động vật bị mất thị lực như cá hang động mù (ví dụ: ‘’Astyanax mexicanus’’),[86] chuột chũi, rắn, nhện, kỳ nhông, tôm, tôm càng và bọ cánh cứng.[87][88]
• Vết tích mắt ở phần sinh vật còn tồn tại như Rhineura floridana và vết tích xương sọ jugal ở sinh vật đã tuyệt chủng Rhineura hatchery (phân loại lại là Protorhineura hatcherii).[89][90]
• Đôi cánh không có chức năng ở những loài chim không biết bay như đà điểu, chim kiwi, đà điểu đầu mào và đà điểu châu Úc.[91][92]
• Sự hiện diện của nếp gấp nhỏ của hành kết mạc trên khóe mắt giữa (Plica semilunaris) trong mắt con người —một vết tích còn sót lại của động vật màng nictate (Nictitating membrane).[93]
• Tuyến Harderian ở linh trưởng.[94]
• Sự tiêu biến chân sau và cấu trúc xương chậu ở thằn lằn không chân, họ thằn lằn bóng,[95] amphisbaenian, vài loài rắn khác.[96][97]
• Tiêu biến bộ máy khứu giác và biến mất ở cá voi dù vẫn còn sở hữu các bộ gen quy định thụ thể khứu giác.[98]
• Vết tích răng ở kỳ lân biển.[99]
• Ngón thô của Ateles geoffroyi, Colobus guereza, và Perodicticus potto.[100]
• Vết tích răng nguyên thủy trong mô hình răng phôi ở chuột.[101]
• Sự tiêu biến hoặc biến mất của cơ quan vomeronasal ở con người và họ khỉ cựu thế giới.[102][103]
• Sự hiện diện của cơ bắp xoang không chức năng ở người được sử dụng trong cử động râu ria.[104]
• Sự thoái hóa cơ palmaris longus ở con người.[105]
• Phân thứ lớp Cá xương thật, linh trưởng dạng người thuộc (Phân thứ bộ Khỉ dạng người), chuột lang nhà, vài loài dơi vài loài bộ sẻ đã mất khả năng tổng hợp vitamin C (ascorbic acid), nhưng vẫn sở hữu các gen liên quan. Sự bất lực này là do đột biến gen L-gulono-γ-lactone oxidase (GLO)—xuất hiện ở linh trưởng, cá xương thật và chuột lang là không đảo ngược được.[106]
• Phần bụng còn sót lại ở (hà).[107]
• Phôi động vật có xương sống không phải động vật có vú phụ thuộc vào các chất dinh dưỡng từ túi noãn hoàng. Hệ gen của con người và động vật có vú khác chứa các gen bị hỏng, không hoạt động, mã hóa cho việc sản xuất lòng đỏ, cùng với sự hiện diện của túi noãn hoàng với phôi.[108][109][110]
• Phôi cá heo có mầm chi.[111]
• Sự hình thành lá ở một số loài xương rồng.[112]
• Sự hiện diện của một vết tích nội cộng sinh Lepidodinium viride trong tảo đơn bào hai roi Gymnodinium chlorophorum.[113]
• Những loài Dolabrifera dolabrifera có một tuyến mực nhưng "không có khả năng sản xuất mực hoặc các protein chống kẻ săn mồi liên quan".[114]

Ví dụ cụ thể từ giải phẫu so sánh

Miệng và phần phụ của côn trùng

Nhiều loài côn trùng khác nhau có phần miệng có nguồn gốc từ cùng một cấu trúc phôi thai, cho thấy phần miệng là những biến đổi của các đặc điểm ban đầu của tổ tiên chung. Chúng bao gồm labrum (môi trên), một cặp mandibles (hàm dưới), một hầu dưới, một cặp maxillae (hàm trên) và labium (môi dưới). (Hình 2c) Sự tiến hóa đã gây ra sự tăng cường và biến đổi các cấu trúc này ở một số loài, trong khi nó đã gây ra sự tiêu biến và biến mất chúng ở các loài khác. Các biến đổi cho phép côn trùng khai thác nhiều loại thức ăn khác nhau.

Miệng và râu côn trùng được coi là cơ quan tương đồng của chân côn trùng. Sự phát triển song song được nhìn thấy trong một số loài thuộc lớp hình nhện: Cặp chân trước có thể được biến đổi thành dạng tương tự của râu, đặc biệt là ở loài bọ cạp roi, đi bằng sáu chân. Những phát triển này cung cấp sự hỗ trợ cho học thuyết rằng các biến đổi phức tạp thường phát sinh từ các bộ phận có sẵn và các bộ phận này sẽ biến đổi theo các hướng khác nhau tùy theo mục đích sử dụng.

Cấu trúc xương chậu của khủng long

Tương tự như động vật có vú có chi năm ngón, khủng long sơ khai được chia thành hai bộ riêng biệt. Khủng long hông thằn lằn (saurischia) và Khủng long hông chim (ornithischia). Chúng được phân loại như thế này hay thế khác dựa vào sự phù hợp với những gì hóa thạch thể hiện. Hình 2d, cho thấy rằng Khủng long hông thằn lằn sơ khai giống Khủng long hông chim . Mô hình của xương chậu trong tất cả các loài khủng long là một ví dụ về cấu trúc tương đồng. Mỗi bộ của khủng long có xương chậu gần như giống nhau hoàn toàn cung cấp bằng chứng về tổ tiên chung. Ngoài ra, chim hiện đại cho thấy sự tương đồng với các cấu trúc xương chậu Khủng long hông thằn lằn sơ khai cho thấy tiến hóa của chim từ khủng long. Điều này cũng có thể được nhìn thấy trong Hình 5c là nhánh Chim (Aves) bên cạnh phân bộ Khủng long chân thú (Theropoda).

Chi năm ngón

Mô hình xương chi gọi là chi năm ngón là một ví dụ về cấu trúc tương đồng (Hình 2e). Nó được tìm thấy trong tất cả các lớp của động vật bốn chân ( ví dụ từ động vật lưỡng cư đến động vật có vú). Nó thậm chí có thể được truy trở lại vây của một số hóa thạch cá mà từ đó loài lưỡng cư đầu tiên tiến hóa như tiktaalik. Chi có một xương cánh tay, hai xương quay và xương trụ, một loạt xương bàn tay và xương cổ tay, theo sau là năm chuỗi xương đốt bàn tay và xương đốt ngón tay. Xuyên suốt các động vật bốn chân, các cấu trúc cơ bản của các chi năm ngón là như nhau, cho thấy rằng chúng có nguồn gốc từ một tổ tiên chung. Nhưng trong quá trình tiến hóa, những cấu trúc cơ bản này đã được biến đổi. Chúng đã trở thành những cấu trúc khác nhau và không liên quan đến bề ngoài để phục vụ các chức năng khác nhau để thích nghi với các môi trường và phương thức sống khác nhau. Hiện tượng này được thể hiện trong các chi trước của động vật có vú. Ví dụ:

• Ở khỉ, các chi trước dài hơn nhiều, tạo thành một bàn tay cầm nắm được sử dụng để leo trèo và đung đưa giữa các cây.
• Heo đã mất đốt ngón đầu tiên, trong khi đốt ngón thứ hai và thứ năm tiêu giảm. Hai đốt còn lại dài hơn và cứng hơn phần còn lại và mang một cái móng để nâng đỡ cơ thể.
• Ở ngựa, chân trước thích nghi cao về sức mạnh và sự hỗ trợ. Chạy nhanh và chạy đường dài là có thể do độ giãn dài của đốt ngón thứ ba mang móng guốc.
• Loài chuột chũi có một cặp chân trước ngắn, giống như cái xẻng để đào hang.
• Thú ăn kiến sử dụng ngón chân dài thứ ba của chúng để xé thành các tổ kiến và mối.
• Ở bộ cá voi, các chi trước trở thành chân chèo để điều khiển và duy trì trạng thái cân bằng trong khi bơi.
• Ở loài dơi, các chi trước đã được biến đổi cao và phát triển thành chức năng cánh. Bốn ngón trước đã trở nên dài ra, trong khi ngón đầu tiên giống như móc vẫn tự do và được sử dụng để treo ngược.

Dây thần kinh thanh quản quặt ngược ở hươu cao cổ

Dây thần kinh thanh quản quặt ngược (recurrent laryngeal nerve) là một nhánh thứ tư của dây thần kinh phế vị, là một dây thần kinh sọ. Ở động vật có vú, con đường của nó dài bất thường. Là một phần của dây thần kinh phế vị, nó xuất phát từ não, đi qua cổ xuống đến tim, vòng qua động mạch chủ để rồi một lần nữa đi qua cổ và trở lại thanh quản. (Hình 2f)

Con đường này là tồi tệ ngay cả đối với con người, nhưng đối với hươu cao cổ nó thậm chí còn trở nên tồi tệ hơn. Do chiều dài của cổ của nó, dây thần kinh thanh quản quặt ngược có thể dài lên đến 4 m (13 ft). Mặc dù đích đến của nó chỉ cách vài cm.

Con đường gián tiếp của dây thần kinh này là kết quả của sự tiến hóa của động vật có vú từ cá. Cá không có cổ và có một dây thần kinh tương đối ngắn mà nó đi qua cung mang để tới một khe mang gần đó. Kể từ đó, mang mà là đích đến của nó đã trở thành thanh quản và cung mang đã trở thành động mạch chủ ở động vật có vú. Chỉ có nhánh thứ ba, tư và sáu của cung động mạch vẫn còn trong động vật có vú, nhánh thứ sáu chỉ hoạt động trong bào thai để mang máu tới nhau thai. Dây thần kinh phế vị thứ tư ở động vật có vú (dây thần kinh thanh quản quặt ngược) vòng qua nhánh động mạch thứ sáu giống như nó đã làm trong cơ thể tổ tiên loài cá trước kia, nhưng giờ nó phải đi một quãng đường xa hơn bởi vì nhánh động mạch này giờ nằm ở vùng ngực.[115][116]

Lộ trình của ống dẫn tinh

Tương tự như dây thần kinh thanh quản ở hươu cao cổ, ống dẫn tinh là một phần của giải phẫu học con đực của nhiều động vật có xương sống; nó vận chuyển tinh trùng từ mào tinh để chuẩn bị cho sự xuất tinh. Ở người, ống dẫn tinh di chuyển lên từ tinh hoàn, vòng qua niệu quản và quay trở lại niệu đạo và dương vật. Có ý kiến cho rằng điều này là do sự hạ thấp của tinh hoàn trong quá trình tiến hóa của con người, có khả năng liên quan đến nhiệt độ. Khi tinh hoàn bị hạ thấp, thì ống dẫn tinh dài ra để phù hợp với "cái móc" tình cờ trên niệu quản.[116][117] (Hình 2h)