Thông qua nghiên cứu của mình trên đối tượng ruồi giấm pseudoobscura, một loài ruồi quả, Dobzhansky có thể xác định rằng một vài quần của loài này không mang những bộ gen giống hệt nhau. Dobzhansky đã tiến hành thí nghiệm chọn giống trong phòng thí nghiệm, trong vườn, và cũng đã khảo sát liên hệ với các loài trong thiên nhiên nhằm hỗ trợ cho nghiên cứu về mặt tiến hóa hữu cơ. Các dữ liệu trong cuốn sách của ông cho thấy các kiểu biến dị di truyền khác nhau và sự biến đổi nhiễm sắc thể đã được quan sát. Những thí nghiệm này rất quan trọng đối với cuốn sách bởi vì chúng minh họa cho sự chuyển đổi từ phòng thí nghiệm ra môi trường tự nhiên của các nghiên cứu di truyền học. Với đối tượng Ruồi giấm, các nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn về cách mà tri thức di truyền học đã khai sáng và đóng góp cho các lĩnh vực khác của sinh học. Nhờ tập trung vào những thuận lợi và khó khăn của đối tượng nghiên cứu cùng những lý giải có tính thuyết phục về di truyền nhiễm sắc thể ở ruồi giấm mà cuối cùng đã phát triển thành lĩnh vực di truyền học của quần thể tự nhiên vào những năm 1930. Tất cả các kết quả từ thí nghiệm của ông đã hỗ trợ cho học thuyết tiến hóa tổng hợp hiện đại.[12]

Đột biến

Qua thí nghiệm của mình, Dobzhansky phát hiện ra rằng đột biến gen dẫn đến sự tiến hóa diễn ra ở một loài cụ thể.Thích nghi đóng một vai trò lớn trong biến động di truyền và người ta đều biết rằng các gen và đột biến ảnh hưởng đến biến động di truyền trong những điều kiện môi trường cụ thể. Đột biến có thể là kết quả của sự tác động từ môi trường bên ngoài, đặc biệt là nếu một sinh vật sống ở một khu vực với điều kiện sống khắc nghiệt. Một sinh vật có thể thích nghi với môi trường sống của nó giúp chúng dễ đạt được hơn nhu cầu của mình. Khi một sinh vật thích nghi thành công, nó sẽ có tỷ lệ sống sót và sinh sản cao hơn. Vì vậy, chúng sẽ có cơ hội cao hơn để truyền lại các gen đó cho thế hệ sau. Sự di truyền của các gen và alen cho thế hệ sau tiếp tục là một xu hướng trong nghiên cứu thuyết tiến hóa tổng hợp hiện đại mà Dobzhansky trình bày trong cuốn sách.[13]

Dobzhansky nói rằng các đột biến hay biến dị xảy ra trong tự nhiên có thể làm thay đổi quá trình tiến hóa của loài nhờ tác động của chọn lọc tự nhiên.[14] Các đột biến được cho là xuất hiện tương đối hiếm và thậm chí là có hại. Bởi vì toàn bộ vốn di truyền của một sinh vật được hình thành là kết quả của quá trình chọn lọc tự nhiên, hơn nữa những đột biến có hại sẽ bị đào thải, vì thế mà trong quần thể kiểu dại các đột biến được xem là rất hiếm khi xảy ra. Kết quả là, tiến hóa được cho là một quá trình diễn ra tương đối chậm chạp. Một trong những đóng góp lớn của Dobzhansky trong cuốn sách này đó là ông đã chỉ ra quan điểm tiến hóa tiệm tiến là không chính xác. Trong khi phân tích cấu trúc nhiễm sắc thể ở các quần thể ruồi giấm pseudoobscura kiểu dại, Dobzhansky đã phát hiện một số lượng đáng kinh ngạc các biến dị chưa được biết đến. Những biến dị này không thể quan sát được ở bên ngoài cá thể sinh vật. Dobzhansky đề xuất rằng sự bảo tồn những biến dị kiểu này sẽ cho phép quần thể tiến hóa một cách nhanh chóng khi điều kiện môi trường sống thay đổi. Cuốn sách này là một bước ngoặt của thuyết tiến hóa tổng hợp, vì nó thể hiện sự hợp nhất của di truyền học Mendel với học thuyết Darwin.[15]

Trong cuốn sách Di truyền học và nguồn gốc các loài, thể đa bội được coi là một loại đột biến. Tế bào đa bội có số lượng nhiễm sắc thể nhiều gấp hai lần số lượng nhiễm sắc thể đơn bội. Những hiệu quả của thể đa bội giữa hai loài khác nhau do lai tạo, thậm chí còn lớn hơn so với tiến hóa.[3]

Chọn lọc tự nhiên và sự hình thành loài

Chọn lọc tự nhiên hoạt động trong một môi trường cụ thể tạo ra những cá thể sinh sản thành công, có lợi cho loài. Hình thành loài là một quá trình mà qua đó một loài sinh học mới được hình thành. Dobzhansky đã nghiên cứu các khía cạnh cụ thể của cơ chế cách ly sinh sản, sinh lý và tập tính ở các loài ruồi giấm pseudoobscura và paulistrorum. Cũng như nhiều nghiên cứu khác của mình, Dobzhansky tập trung vào nghiên cứu cơ chế cách ly sinh sản, coi đó như là mục tiêu của nghiên cứu các hoạt động tiến hóa. Đưa mẫu nghiên cứu từ mỗi quần thể trở lại phòng thí nghiệm, Dobzhansky cho thấy rằng ông có thể thay đổi điều kiện môi trường để tạo ra sự thay đổi tương tự về tần số của những kiểu đảo đoạn NST mà ông quan sát  thấy chúng cũng thay đổi theo mùa ở ngoài tự nhiên. Dobzhansky kết luận rằng những biến động theo mùa như vậy là kết quả của hoạt động chọn lọc tự nhiên, ở đó nhiệt độ như là một tác nhân chọc lọc.  Những nghiên cứu kiệt xuất này đã mang lại một cơ sở vững chắc cho lý thuyết về chọn lọc tự nhiên, đồng thời cũng minh họa  đầy đủ cho sự kết hợp nghiên cứu tiến hóa trong phòng thí nghiệm với trên thực địa. Tiến hóa thích nghi diễn ra thông qua sự cạnh tranh sinh tồn của các gen trong loài. Điều này dẫn đến sự gia tăng về tần số của những alen ích kỷ chỉ thúc đẩy hình thành những kiểu hình của riêng chúng. Ông cũng tin rằng loài mới không thể phát sinh từ những đột biến riêng lẻ và phải được cách ly với các quần thể khác của loài theo thời gian, địa lý, môi trường sống, hoặc mùa sinh sản.