Kiểu hình của một cá thể sinh vật là kết quả của cả kiểu gen và ảnh hưởng của môi trường mà nó sống. Một phần chủ yếu của biến dị trong các kiểu hình ở một quần thể là do sự khác biệt giữa các kiểu gen của chúng.[71] Thuyết tiến hoá tổng hợp hiện đại định nghĩa tiến hóa như sự thay đổi theo thời gian sự biến dị di truyền này. Tần số của một alen cụ thể sẽ trở nên hiện diện nhiều hơn hay kém đi so với các dạng khác của gen đó trong quá trình này. Biến dị biến mất khi một alen mới đạt tới điểm tới hạn - là khi hoặc biến mất khỏi quần thể hoặc thay thế hoàn toàn alen gốc.[79]

Chọn lọc tự nhiên chỉ gây ra tiến hóa khi có đủ biến dị di truyền trong một quần thể. Trước khám phá của Mendel về di truyền, một giả thiết từng phổ biến là sự di truyền pha trộn. Nhưng với di truyền pha trộn, biến dị di truyền sẽ bị mất đi nhanh chóng, khiến cho tiến hóa bằng chọn lọc tự nhiên trở thành phi lý. Nguyên lý Hardy-Weinberg cung cấp giải pháp cho cách biến dị duy trì trong quần thể với di truyền Mendel. Theo đó, tần số của các alen (biến dị trong một gen) sẽ không đổi nếu vắng mặt sự chọn lọc, đột biến, di trú và dịch chuyển di truyền.[80]

Những biến dị đến từ đột biến trong vật chất di truyền, sự trộn lại các gen thông qua sinh sản hữu tính và sự di trú giữa các quần thể (dòng gen). Mặc dù những biến dị mới xuất hiện liên tục thông qua đột biến và dòng gen, hầu hết bộ gen của một loài là giống hệt ở mọi cá thể của loài đó.[81] Tuy nhiên, ngay cả những sự khác biệt tương đối nhỏ trong kiểu gen có thể dẫn đến những khác biệt quan trọng trong kiểu hình: chẳng hạn, tinh tinh và người khác nhau chỉ khoảng 5% bộ gen.[82]

Đột biến

Sao chép lặp lại một phần nhiễm sắc thể.

Đột biến là những thay đổi trong chuỗi DNA của một tế bào. Khi đột biến xảy ra, nó có thể không ảnh hưởng gì, làm thay đổi ARN hay protein do gen quy định, hoặc ngăn cản gen đó hoạt động. Dựa trên các nghiên cứu về loài ruồi Drosophila melanogaster, với khoảng 70% các đột biến này là có các tác động tiêu cực, số còn lại trung tính hoặc có lợi không nhiều, người ta đã đề xuất rằng nếu một sự đột biến thay đổi một protein sinh ra bởi một gen, điều này gần như chắc chắn là có hại và được duy trì trong quần thể bởi tiến hóa hồi quy (recurrent evolution).[83]

Sự đột biến có thể liên quan tới những đoạn dài của nhiễm sắc thể trở nên bị lặp lại (thông thường do sự tái tổ hợp di truyền), có thể tạo nên những đoạn sao chép thừa một gen vào một bộ gen.[84] Những bản sao thừa của các gen là nguồn vật liệu thô chính cần thiết cho những gen mới tiến hóa.[85] Điều này quan trọng bởi vì thực tế hầu hết các gen mới tiến hóa trong một họ gen từ những gen tồn tại từ trước có chung nguồn gốc.[86] Chẳng hạn, mắt người sử dụng bốn gen để tạo nên những cấu trúc cảm nhận ánh sáng: ba cho quan sát màu sắc và một cho quan sát ban đêm; cả bốn gen này đều bắt nguồn từ một gen gốc duy nhất.[87]

Các gen mới có thể sinh ra từ một gen gốc khi bản sao lặp bị đột biến và tìm lấy một chức năng mới. Quá trình này dễ dàng hơn khi một gen đã được sao lặp bởi vì nó sẽ tăng tính dư thừa của hệ thống; một gen trong cặp có thể tìm lấy một chức năng mới trong khi bản sao còn lại tiếp tục thực hiện chức năng gốc.[88][89] Những loại đột biến khác thậm chí có thể tạo ra những gen hoàn toàn mới từ những DNA chưa được mã hóa từ trước.[90][91]

Việc tạo ra các gen mới cũng có thể liên quan tới những phần nhỏ trong một vài gen bị sao lặp, những đoạn này sau đó tái kết hợp để tạo nên những tổ hợp mới với những chức năng mới.[92][93] Khi các gen mới được lắp ghép từ việc trộn những phần có sẵn, các miền protein đóng vai trò như những đơn nguyên với những chức năng đơn giản, độc lập, có thể kết hợp với nhau để tạo nên những tổ hợp mới với những chức năng mới phức tạp.[94] Chẳng hạn, polyketide synthase là những enzyme kích thước lớn tạo nên các chất kháng sinh; chúng cấu thành từ tới một trăm miền độc lập mà mỗi miền xúc tác một bước trong quá trình tồng thể, như thể một khâu trong một dây chuyền lắp ráp.[95]

Giao phối và tái tổ hợp

Trong một sinh vật vô tính, các gen được truyền lại cho nhau, hay "liên kết" với nhau, và chúng không thể trộn với gen của những sinh vật khác trong quá trình sinh sản. Trái lại, sự giao phối giữa các sinh vật hữu tính tạo ra sự trộn lẫn các nhiễm sắc thể của bố mẹ qua một sự phân li độc lập. Trong một quá trình liên quan gọi là tái tổ hợp tương đồng, các sinh vật hữu tính trao đổi DNA giữa hai nhiễm sắc thể tương ứng.[96] Tái tổ hợp và phân li không thay đổi tần số alen, nhưng thay vào đó thay đổi những alen nào liên kết với alen khác, sinh ra con cháu với những tổ hợp alen mới.[97] Giao phối thường tăng cường biến dị di truyền và có thể tăng tốc độ tiến hóa.[98][99]

Sơ đồ này minh họa Phí tổn gấp đôi đến từ giao phối. Nếu mỗi cá thể sinh ra cùng số con (hai), (a) Quần thể sinh sản hữu tính giữ nguyên kích thước qua các thế hệ, trong khi (b) Quần thể sinh sản vô tính tăng gấp đôi số lượng qua các thế hệ.

Phí tổn gấp đôi đến từ giao phối (the two-fold cost of sex) lần đầu tiên được đề cập bởi John Maynard Smith.[100] Phí tổn đầu tiên là ở các loài lưỡng hình giới tính, chỉ một trong hai giới có thể sinh con (phí tổn này không áp dụng cho các loài lưỡng tính, giống như hầu hết các loài thực vật và nhiều động vật không xương sống). Phí tổn thứ hai là bất kỳ cá thể sinh sản hữu tính nào chỉ có thể truyền 50% gen của nó cho bất kỳ đứa con nào, thậm chí ít được truyền lại ở mỗi thế hệ mới qua đi.[101] Tuy nhiên, sinh sản hữu tính là phương thức sinh sản phổ biến hơn giữa sinh vật nhân chuẩn và đa bào. Giả thuyết Nữ hoàng Đỏ đã được sử dụng để giải thích tầm quan trọng của sinh sản hữu tính như là một phương thức để cho phép tiến hóa và thích nghi liên tục để đáp ứng với sự hợp tác với các loài khác trong một môi trường luôn thay đổi.[101][102][103][104]

Dòng gen

Dòng gen là sự hoán đổi các gen giữa các quần thể và giữa các loài.[105] Do đó nó có thể là một nguồn biến dị mới mẻ đối với một quần thể hay một loài. Dòng gen có thể do sự di chuyển của các cá thể giữa những quần thể riêng biệt nhau của một loài gây ra, như thể sự di chuyển của chuột giữa các quần thể trong đất liền và bờ biển, hay dịch chuyển của phấn hoa giữa quần thể cỏ nhạy cảm với kim loại nặng và quần thể cỏ chống chịu được.

Sự chuyển gen giữa các loài bao gồm sự hình thành các loài lai và sự chuyển gen ngang. Chuyển gen ngang là sự truyền vật chất di truyền từ một sinh vật này sang một sinh vật khác mà không phải con của nó; điều này phổ biến nhất ở giới vi khuẩn.[106] Trong y học, điều này đóng góp vào sự lan truyền khả năng kháng chất kháng sinh, bởi khi một vi khuẩn có được các gen kháng thuốc nó có thể nhanh chóng truyền khả năng này cho các loài khác.[107] Người ta đã quan sát thấy sự chuyển gen ngang từ vi khuẩn sang các sinh vật nhân chuẩn như nấm men Saccharomyces cerevisiae và bọ trên cây đậu adzuki Callosobruchus chinensis.[108][109] Một ví dụ về sự lan truyền quy mô lớn hơn là luân trùng nhân chuẩn Belloidea, chúng nhận rất nhiều gen từ vi khuẩn, nấm và thực vật.[110] Các virus cũng có thể mang DNA giữa các sinh vật, cho phép lan truyền gen ngay cả giữa các vực sinh vật.[111]

Sự chuyển gen quy mô lớn cũng xảy ra giữa các tổ tiên của các tế bào nhân chuẩn và vi khuẩn, trong sự hình thành lục lạp và ti thể. Cũng có thể là chính những sinh vật nhân chuẩn này bắt nguồn từ sự lan truyền gen ngang giữa vi khuẩn và vi khuẩn cổ.[112]