✨Bằng chứng về tổ tiên chung

Bằng chứng về tổ tiên chung đã được phát hiện bởi các nhà khoa học nghiên cứu trong nhiều ngành khoa học trong nhiều thế kỷ, đã chứng minh rằng tất cả các sinh vật trên Trái đất tuy có rất nhiều dạng khác nhau, nhưng đều có nguồn gốc chung mà Darwin gọi là "đa dạng trong thống nhất". Những bằng chứng đã góp phần giúp thuyết tiến hóa được cộng đồng khoa học chấp nhận và chứng minh rằng hiện tượng tiến hóa đã và đang xảy ra giúp soi sáng các quá trình tạo ra sự đa dạng sinh học của Trái Đất. Nó cũng hỗ trợ trong việc hình thành thuyết tiến hóa tổng hợp hiện đại (modern evolutionary synthesis) – đây là học thuyết khoa học hiện tại giải thích cách thức và nguyên nhân sự sống biến đổi theo thời gian. Các nhà sinh học tiến hóa đã thu thập các bằng chứng về tổ tiên chung, và tất cả bằng chứng đều cho thấy sự tồn tại của một tổ tiên chung toàn thể cuối cùng (LUCA), bằng cách thiết lập các tiên đoán có thể kiểm chứng bởi thí nghiệm, tiến hành kiểm chứng các giả thuyết, và phát triển các học thuyết có nội dung minh họa và miêu tả căn nguyên của nó.

So sánh trình tự trình tự gen DNA của các sinh vật đã tiết lộ rằng các sinh vật quan hệ họ hàng gần nhau hơn thì có trình tự sắp xếp axit nucleic trên chuỗi DNA sẽ tương đồng nhau hơn so với các sinh vật họ hàng xa. Các đoạn gen như gen giả (Pseudogene), là các vùng của DNA có sự tương đồng với một gen ở sinh vật họ hàng gần với sinh vật đang so sánh, nhưng không còn hoạt động và dường như đang trải qua một quá trình thoái hóa ổn định từ các đột biến tích lũy hỗ trợ tổ tiên chung bên cạnh tổ chức sinh hóa phổ quát và mô hình phương sai phân tử được tìm thấy trong tất cả các sinh vật. Thông tin di truyền bổ sung thêm các kiến thức liên quan đến sự sống và giúp các nhà khoa học (kể từ khi phát hiện ra DNA) phát triển cây sự sống: một sơ đồ mô tả các mối quan hệ tiến hóa giữa các loài sinh vật. Nó cũng đã dẫn đến sự phát triển của các kỹ thuật đồng hồ phân tử để xác định thời gian phân tách của các chủng loài sinh học và tiến hành hiệu chỉnh chúng bằng hồ sơ hóa thạch.

Hóa thạch rất quan trọng để đánh giá khi các dòng giống khác nhau đã phát triển trong các niên đại địa chất. Vì hóa thạch là một trường hợp không phổ biến, thường đòi hỏi các bộ phận cứng của cơ thể và sinh vật phải chết gần một nơi mà trầm tích đang lắng đọng, hồ sơ hóa thạch chỉ cung cấp thông tin thưa thớt và không liên tục về sự tiến hóa của sự sống. Bằng chứng về các sinh vật trước khi phát triển các bộ phận cứng của cơ thể như vỏ, xương và răng, cũng như dấu vết của các sinh vật thân mềm khác nhau đặc biệt khan hiếm, nhưng vẫn có thể tồn tại dưới dạng hóa thạch nhỏ cổ đại. Nghiên cứu so sánh giải phẫu của các nhóm động vật cho thấy các đặc điểm cấu trúc tương tự về cơ bản (tương đồng), chứng minh mối quan hệ gần gũi và phát sinh từ tổ chung với các sinh vật khác, đặc biệt là khi so sánh với hóa thạch của các sinh vật cổ đại đã tuyệt chủng. Vết tích còn sót lại từ tổ tiên và so sánh trong phát triển phôi thai phần lớn là yếu tố cho thấy sự tương đồng về mặt giải phẫu, hoàn toàn phù hợp với việc có chung tổ tiên. Do các quá trình trao đổi chất không để lại hóa thạch, nên nghiên cứu về sự tiến hóa các quá trình cơ bản của tế bào được thực hiện chủ yếu bằng cách so sánh các quá trình sinh lý và sinh hóa của các sinh vật hiện tại. Nhiều chủng loại đã phân tách ở các giai đoạn phát triển khác nhau, vì vậy có thể xác định khi nào các quá trình trao đổi chất nhất định xuất hiện bằng cách so sánh các đặc điểm của các thế hệ con cháu có chung tổ tiên.

Bằng chứng từ màu sắc của động vật được thu thập bởi một số người đương thời của Darwin; ngụy trang, bắt chước và tín hiệu xua đuổi đều được giải thích dễ dàng bằng quá trình chọn lọc tự nhiên. Các trường hợp đặc biệt như sự thay đổi màu bộ lông theo mùa của Lagopus muta, giúp nó ngụy trang tuyết vào mùa đông và ngụy trang trong rừng vào mùa hè cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng chọn lọc tự nhiên là nguyên nhân cho việc này. Bằng chứng chuyên sâu hơn đến từ lĩnh vực địa lý sinh học bởi sự tiến hóa từ tổ tiên chung cung cấp lời giải thích tốt nhất và đầy đủ nhất cho nhiều thực kiện liên quan đến sự phân bố địa lý của thực vật và động vật trên khắp thế giới. Điều này đặc biệt rõ ràng trong lĩnh vực địa lý sinh học đảo. Kết hợp với học thuyết địa chất được xây dựng kỹ càng của thuyết kiến tạo mảng, tổ tiên chung cung cấp một cách để kết hợp thực kiện về sự phân bố hiện tại của các loài với bằng chứng từ hồ sơ hóa thạch để đưa ra lời giải thích hợp lý về cách phân bố của các sinh vật sống thay đổi theo thời gian. Sự phát triển và lan truyền của kháng thuốc kháng sinh cung cấp bằng chứng cho thấy sự tiến hóa do chọn lọc tự nhiên là một quá trình đang diễn ra trong thế giới tự nhiên. Chọn lọc tự nhiên có mặt khắp nơi trong tất cả các nghiên cứu liên quan đến tiến hóa, xin hãy lưu ý đến thực tế là tất cả các ví dụ sau trong mỗi phần của bài viết đều ghi lại quá trình này. Bên cạnh đó là các trường hợp quan sát thấy sự phân tách các quần thể loài thành tập hợp các loài mới (sự hình thành loài). Sự hình thành loài đã được quan sát trong phòng thí nghiệm và trong tự nhiên. Nhiều hình thức như vậy đã được mô tả và ghi lại như các ví dụ cho các mô hình riêng lẻ về sự hình thành loài. Hơn nữa, bằng chứng về tổ tiên chung đã mở rộng từ các thí nghiệm trực tiếp trong phòng thí nghiệm bằng việc chọn lọc các sinh vật - trong lịch sử và hiện tại - và các thí nghiệm kiểm soát khác liên quan đến nhiều chủ đề trong bài viết. Bài viết này tóm tắt các ngành học khác nhau cung cấp bằng chứng cho sự tiến hóa và tổ tiên chung của mọi sự sống trên Trái đất, kèm theo nhiều ví dụ chuyên biệt, cho thấy một sự ăn khớp của các bằng chứng.

Bằng chứng so sánh sinh lý và sinh hóa

Di truyền học

Một trong những bằng chứng vững chắc nhất cho tổ tiên chung đến từ trình tự gen. Thông qua phương pháp bắt cặp trình tự sẽ kiểm tra được mối quan hệ họ hàng giữa các trình tự DNA của các loài khác nhau, nhờ đó cung cấp một số bằng chứng xác nhận giả thuyết ban đầu của Darwin về việc các loài có chung tổ tiên. Nếu giả thuyết về tổ tiên chung là đúng, thì các loài có chung tổ tiên được thừa hưởng trình tự DNA của tổ tiên, cũng như các đột biến đột biến độc nhất vô nhị của tổ tiên đó. Các loài có mối quan hệ gần gũi hơn sẽ có phần lớn trình tự giống hệt nhau và cũng như một sự khác biệt nhiều hơn với các loài có họ hàng xa.

thumb|right|Hình 1a:Khi ở trên tàu [[HMS Beagle, Charles Darwin đã thu thập nhiều mẫu vật mới cho khoa học, thứ đã hỗ trợ học thuyết tiến hóa bằng chọn lọc tự nhiên sau này của ông.]]

Bằng chứng đơn giản và mạnh mẽ nhất được cung cấp bởi dựng lại sự phát sinh chủng loại (Computational phylogenetics). Việc dựng lại này, đặc biệt là khi được thực hiện bằng cách sử dụng các chuỗi protein tiến hóa chậm, thường khá mạnh mẽ và có thể được sử dụng để dựng lại rất nhiều về lịch sử tiến hóa của các sinh vật hiện đại (và thậm chí trong một số trường hợp về lịch sử tiến hóa của các sinh vật đã tuyệt chủng, như đã phục hồi trình tự gen của voi ma mút hoặc người Neanderthal). Những sự phát sinh chủng loại được dựng lại này tóm tắt lại các mối quan hệ được thiết lập thông qua các nghiên cứu hình thái và sinh hóa. Việc dựng lại chi tiết nhất đã được thực hiện trên cơ sở bộ gen của ty thể được chia sẻ bởi tất cả các sinh vật nhân chuẩn, mà được xem là ngắn và dễ để giải trình tự; việc dựng lại rộng nhất đã được thực hiện bằng cách sử dụng trình tự của một số protein rất cổ xưa hoặc bằng cách sử dụng trình tự RNA ribosome.

Mối quan hệ phát sinh chủng loại mở rộng đến nhiều trình tự gen không chức năng, bao gồm lặp đoạn, gen nhảy, gen giả, và đột biến gen làm thay đổi côđôn nhưng không thay đổi amino acid do côđôn đó mã hoá. Mặc dù một số ít các yếu tố này có thể sau đó được phát hiện thấy có chức năng, nhưng nhìn một cách toàn thể thì chúng rõ ràng là sản phẩm đến từ việc có chung tổ tiên chứ không phải là chung chức năng.

Tất cả tổ chức sinh hóa và mô hình phương sai phân tử

Tất cả các sinh vật còn tồn tại tới bây giờ đều dựa trên cùng một quá trình sinh hóa: trong đó thông tin di truyền được mã hóa dưới dạng axit nucleic (DNA hoặc RNA đối với nhiều loại virus), được phiên mã thành RNA thông tin, sau đó được dịch mã thành protein (nghĩa là các polyme của amino acid) thông qua các ribosome. Có lẽ dễ hiểu nhất là, Mã di truyền ("bảng dịch" giữa DNA và amino acid) giống nhau cho hầu hết mọi sinh vật, có nghĩa là một mảnh DNA trong vi khuẩn mã hóa cho amino acid tương tự như trong tế bào con người. ATP được sử dụng làm đồng tiền năng lượng bởi tất cả các sinh vật sống còn tồn tại. Một sự hiểu biết chuyên sâu hơn về sinh học phát triển cho thấy rằng hình thái chung, trên thực tế, là sản phẩm của các yếu tố di truyền được kế thừa từ tổ tiên chung. Ví dụ, mặc dù đôi mắt giống như máy ảnh được cho là đã tiến hóa độc lập trong nhiều sự kiện riêng biệt, chúng vẫn có chung một tập hợp các protein cảm nhận ánh sáng (opsin), gợi ý một điểm xuất phát chung cho tất cả các sinh vật có thị giác. Một ví dụ khác là sự tương đồng trong trình tự phát triển cơ thể của động vật có xương sống, mà cấu trúc của nó được kiểm soát bởi họ gen Hox.

Trình tự DNA

So sánh trình tự DNA cho phép sắp xếp các sinh vật có độ tương đồng trình tự với nhau thành một nhóm và các cây phát sinh chủng loại thường phù hợp với phân loại học, và thường được sử dụng để tăng cường tính chính xác của sự phân loại. So sánh trình tự được coi là một biện pháp đủ mạnh để sửa chữa các giả định sai lầm trong cây phát sinh chủng loại ở các trường hợp khan hiếm các bằng chứng khác. Ví dụ: trình tự DNA trung tính của con người là tách biệt di truyền khoảng 1,2% (do sự thay thế các Nucleotide) từ những họ hàng gần nhất về mặt di truyền là tinh tinh, 1,6% từ khỉ đột và 6,6% từ khỉ đầu chó. Do đó bằng chứng trình tự di truyền cho phép suy luận và định lượng mối quan hệ di truyền giữa con người và vượn. Trình tự gen của RNA Ribosome 16S, là một gen quan trọng mã hóa một phần của ribosome, đã được sử dụng để tìm mối quan hệ rộng phát sinh chủng loài giữa tất cả sinh vật còn tồn tại ngày nay. Phân tích của Carl Woese đã dẫn đến hệ thống ba vực, lập luận cho hai sự phân tách lớn trong sự tiến hóa ban đầu của sự sống. Sự phân tách đầu tiên dẫn đến Vi khuẩn hiện đại và sự phân chia tiếp theo dẫn đến Vi khuẩn cổ và Sinh vật nhân thực hiện đại.

Một số trình tự DNA được chia sẻ chung bởi các sinh vật rất khác nhau. Theo thuyết tiến hóa đã dự đoán, rằng sẽ có sự tương đồng trong trình tự DNA giữa hai sinh vật khác nhau dù có sự khác biệt sinh học giữa chúng theo giải phẫu và dù thời gian đã trôi qua kể từ khi hai sinh vật này tách ra thành hai loài khác nhau trong quá trình tiến hóa, như đã thấy trong bằng chứng hóa thạch. Tốc độ tích lũy những thay đổi như vậy sẽ thấp đối với một số trình tự, cụ thể là những trình tự mã hóa cho RNA hoặc protein then chốt, và cao đối với những loại khác mã hóa cho RNA hoặc protein ít quan trọng hơn; nhưng đối với mỗi trình tự cụ thể, tốc độ thay đổi sẽ gần như không đổi theo thời gian. Những kết quả này đã được xác nhận bằng thực nghiệm. Hai ví dụ là trình tự DNA mã hóa cho rRNA, được bảo tồn cao và trình tự DNA mã hóa cho fibrinopeptide (amino acid bị loại bỏ trong quá trình hình thành fibrin), không được bảo tồn cao.

Protein

Bằng chứng hệ Protein cũng ủng hộ việc toàn thể sự sống có chung tổ tiên. Các protein quan trọng, chẳng hạn như ribosome, DNA polymerase và RNA polymerase, được tìm thấy trong mọi sinh vật sống, từ vi khuẩn nguyên thủy nhất đến động vật có vú phức tạp nhất. Phần cốt lõi của protein được bảo tồn trên tất cả các dòng dõi của sự sống, phục vụ các chức năng tương tự. Các sinh vật bậc cao đã tiến hóa thêm tiểu đơn vị protein, ảnh hưởng lớn đến sự điều hòa và tương tác protein-protein của sự cốt lõi. Sự tương đồng bao trùm khác giữa tất cả các dòng dõi của các sinh vật còn tồn tại, chẳng hạn như DNA, RNA, amino acid và lớp lipid kép, hỗ trợ cho học thuyết có tổ tiên chung. Phân tích sự cây phát sinh chủng loại của các chuỗi protein từ các sinh vật khác nhau tạo ra các cây tương đồng về mối quan hệ giữa tất cả các sinh vật. Tính bất đối xứng của DNA, RNA và amino acid được bảo tồn trong tất cả sự sống được biết đến. Vì không có lợi thế về chức năng đối với trạng thái phân tử thuận tay phải hoặc tay trái, giả thuyết đơn giản nhất là sự lựa chọn được tạo ra ngẫu nhiên bởi các sinh vật sơ khai và truyền lại cho tất cả sự sống còn tồn tại thông qua việc có chung tổ tiên. Bằng chứng nữa cho việc dựng lại tổ tiên chung đến từ DNA rác, chẳng hạn như gen giả, các gen "chết" tích lũy đột biến.

Gen giả

Gen giả, còn được gọi là DNA không mã hóa, là phần DNA thừa trong bộ gen không được phiên mã thành RNA để tổng hợp protein. Một số DNA không mã hóa này có các chức năng đã biết, nhưng phần lớn nó không có chức năng nào được biết tới và được gọi là "DNA rác". Đây là một ví dụ về vết tích (vestige) bởi vì việc sao chép các gen này tiêu tốn năng lượng, khiến nó trở thành một sự lãng phí không cần thiết trong nhiều trường hợp. Một gen giả có thể được tạo ra khi một gen mã hóa tích lũy các đột biến khiến nó không được phiên mã, khiến nó không hoạt động.

Vì các quá trình chuyển hóa không để lại hóa thạch, nghiên cứu về sự tiến hóa của các quá trình cơ bản của tế bào được thực hiện chủ yếu bằng cách so sánh các sinh vật hiện có. Nhiều chủng loài phát sinh khi các quá trình trao đổi chất mới xuất hiện và về mặt lý thuyết có thể xác định khi nào các quá trình trao đổi chất xuất hiện bằng cách so sánh các đặc điểm của con cháu của tổ tiên chung hoặc bằng cách phát hiện các biểu hiện vật lý của chúng. Ví dụ, sự xuất hiện của oxy trong bầu khí quyển của Trái Đất có liên quan đến sự tiến hóa của quang hợp.

Ví dụ cụ thể từ so sánh sinh lý và hóa sinh

Nhiễm sắc thể số 2 ở người

thumb|Hình 1b: Sự hợp nhất của nhiễm sắc thể tổ tiên để lại tàn dư của [[telomere và một vết tích tâm động (centromere)]]

Bằng chứng cho sự tiến hóa của Homo sapiens từ một tổ tiên chung với tinh tinh được tìm thấy trong số lượng nhiễm sắc thể ở người so với tất cả các thành viên khác của Họ người. Tất cả các loài trong họ người có 24 cặp nhiễm sắc thể, ngoại trừ con người, chỉ có 23 cặp. Nhiễm sắc thể số 2 ở người là kết quả của sự hợp nhất từ đầu đến cuối của hai nhiễm sắc thể tổ tiên.

Bằng chứng cho điều này bao gồm:

• Sự tương ứng của nhiễm sắc thể 2 đến hai nhiễm sắc thể của loài vượn. Họ hàng gần nhất của con người, tinh tinh thông thường, có trình tự DNA gần giống với nhiễm sắc thể số 2 của người, nhưng chúng được tìm thấy trong hai nhiễm sắc thể riêng biệt. Điều tương tự cũng đúng với những họ hàng xa hơn như khỉ đột và đười ươi.
• Sự hiện diện của vết tích (vestigial) Tâm động. Thông thường một nhiễm sắc thể chỉ có một tâm động, nhưng trong nhiễm sắc thể 2 có tàn dư của một tâm động thứ hai.
• Sự hiện diện của vết tích telomere. Chúng thường chỉ được tìm thấy ở hai đầu mút của một nhiễm sắc thể, nhưng ở nhiễm sắc thể 2 có thêm các chuỗi telomere ở giữa.

Do đó, nhiễm sắc thể 2 đưa ra bằng chứng mạnh mẽ cho việc tồn tại tổ tiên chung của con người và các loài vượn khác. Theo J. W. Ijdo, "Chúng tôi kết luận rằng Lô-cut gen được nhân bản trong các cosmid c8.1 và c29B là vết tích của một sự hợp nhất telomere-telomere cổ đại và đánh dấu điểm mà hai nhiễm sắc thể vượn tổ tiên hợp nhất để tạo ra nhiễm sắc thể số 2 của con người."

Phân tử sắc tố tế bào c đã được nghiên cứu rộng rãi đem lại cái nhìn thoáng qua cho sinh học tiến hóa. Cả gà và gà tây đều có sự trình tự xác định tương đồng nhau (amino acid cho amino acid), cũng như lợn, bò và cừu. Cả con người và Tinh tinh thông thường đều có chung một phân tử, trong khi khỉ Rhesus có chung tất cả trừ một trong các amino acid: amino acid thứ 66 là isoleucin ở trước và threonin ở sau.

Ngoài ra, sắc tố tế bào b thường được sử dụng như một vùng của DNA ty thể để xác định mối quan hệ cây phát sinh chủng loài giữa các sinh vật do sự biến đổi trình tự của nó. Nó được coi là hữu ích nhất trong việc xác định mối quan hệ trong họ và chi. Các nghiên cứu so sánh liên quan đến sắc tố tế bào b đã dẫn đến các sơ đồ phân loại mới và đã được sử dụng để quy định các loài mới được mô tả ở một chi, cũng như hiểu sâu hơn về mối quan hệ tiến hóa.

Retrovirus nội sinh

Retrovirus nội sinh (hoặc ERV) là các chuỗi còn sót lại trong bộ gen từ việc nhiễm virus cổ xưa trong một sinh vật. Các retrovirus (hoặc các gen virus) luôn luôn truyền lại cho thế hệ tiếp theo của sinh vật đã bị nhiễm. Điều này khiến gen virus (virogene) còn sót lại trong bộ gen. Bởi vì sự kiện này rất hiếm và ngẫu nhiên, việc tìm thấy các vị trí một virogene giống hệt nhau trong nhiễm sắc thể của ở hai loài khác nhau cho thấy tổ tiên chung. Một ví dụ khác về điều này là giữa con người và tinh tinh. Con người chứa nhiều ERV chiếm tỷ lệ đáng kể trong bộ gen. Nguồn thì đa dạng, nhưng chung quy là 1% to 8% được đề xuất. Con người và tinh tinh chia sẻ bảy sự xuất hiện khác nhau của virogen, trong khi tất cả các loài linh trưởng đều có chung retrovirus phù hợp với sự phát sinh chủng loài.

Nguồn gốc châu Phi gần đây của người hiện đại

Các mô hình toán học của sự tiến hóa, được tiên phong bởi những người như Sewall Wright, Ronald Fisher và J. B. S. Haldane và được mở rộng thông qua phương trình khuếch tán bởi Motoo Kimura, cho phép dự đoán về cấu trúc di truyền của các quần thể tiến hóa. Kiểm tra trực tiếp cấu trúc di truyền của các quần thể hiện đại thông qua giải trình tự DNA đã cho phép xác minh nhiều dự đoán này. Ví dụ, học thuyết nguồn gốc loài người từ châu Phi mà ra trong đó tuyên bố rằng con người hiện đại phát triển ở châu Phi và một quần thể nhỏ di cư ra ngoài (trải qua nút thắt dân số), ngụ ý rằng quần thể hiện đại sẽ tồn tại vài vết tích từ quá trình di cư này. Cụ thể, các quần thể sau nút thắt (người châu Âu và châu Á) sẽ cho thấy tổng thể sự đa dạng di truyền thấp hơn và sự phân bố tần số alen đồng đều hơn so với dân số châu Phi. Cả hai dự đoán này đều được đưa ra bởi dữ liệu thực tế từ một số nghiên cứu.

Bằng chứng từ giải phẫu học so sánh

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.

Hiện tượng lại tổ

thumb|Hình 2a:Vào tháng 7 năm 1919, một con cá voi lưng gù có chân đã bị bắt bởi một con tàu hoạt động ở Vancouver long. Hình ảnh này cho thấy chân sau của một con cá voi lưng gù khác được báo cáo vào năm 1921 bởi Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ.

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". "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..." và là một "[dấu hiệu] về tính mềm dẻo phát triển tồn tại trong phôi..." 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."

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

*Chi sau ở cá voi.

• Sự trở lại của cặp chân chèo trên cá heo mũi chai.
• Thêm ngón chân của ngựa hiện đại. Đuôi người (không phải đuôi giả) và tăng thêm số lượng núm vú ở người. Răng ở gà. *Cựa ở chó. và bộ cánh da. và động vật có vú như là chó săn thỏ và chuột nhảy.

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.
• 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.
• 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.. 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. Darwin đã mô tả cách tổ tiên chung cung cấp một cơ sở logic để phân loại các sinh vật sống:

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. 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 RNA và chức năng protein. 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). 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." "Khả năng thực nghiệm là thước đo xem giả thuyết tăng bao nhiêu khả năng có thể đúng của bằng chứng."

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. 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. 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].
• 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.
• Thiếu nhị hoa (không mạch nhị lép) trên các loài hoa như Gilliesia và Gethyum.
• Nhị không chức năng ở hoa cái và nhụy không chức năng ở hoa đực của các loài xương rồng như Consolea spinosissima.
• Nhụy hoa còn sót lại trên hoa cái của Fragaria virginiana; tất cả các loài của chi Schiedea; và trên Penstemon centranthifolius, P. rostriflorus, P. ellipticus, và P. palmeri.
• Vết tích bao phấn trên Nemophila menziesii.

thumb|Hình 2b: Bộ xương của một [[cá voi tấm sừng với cấu trúc chân sau và xương chậu được khoanh tròn màu đỏ. Cấu trúc xương này tồn tại bên trong suốt cuộc đời của loài.]]

• Sư tiêu biến chi sau và xương chậu nhưng vẫn được gắn vào cơ của cá voi (xem hình 2b). 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. 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 và những con bọ cánh cứng khác. chuột chũi, rắn, nhện, kỳ nhông, tôm, tôm càng và bọ cánh cứng.
• 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).
• 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.
• 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). *Tuyến Harderian ở linh trưởng.
• Sự tiêu biến chân sau và cấu trúc xương chậu ở thằn lằn không chân, họ thằn lằn bóng, amphisbaenian, vài loài rắn khác.
• 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.
• Vết tích răng ở kỳ lân biển. *Ngón thô của Ateles geoffroyi, Colobus guereza, và Perodicticus potto.
• Vết tích răng nguyên thủy trong mô hình răng phôi ở chuột.
• Sự tiêu biến hoặc biến mất của cơ quan vomeronasal ở con người và họ khỉ cựu thế giới.
• Sự hiện diện của cơ bắp xoang không chức năng ở người được sử dụng trong cử động râu ria. Sự thoái hóa cơ palmaris longus ở con người. 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.
• Phần bụng còn sót lại ở (hà). 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. Phôi cá heo có mầm chi.
• Sự hình thành lá ở một số loài xương rồng.
• Sự hiện diện của một vết tích nội cộng sinh Lepidodinium viride trong tảo đơn bào hai roi Gymnodinium chlorophorum. *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".

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 . 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.

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. (Hình 2h)

Bằng chứng cho cổ sinh vật học

Khi sinh vật chết, chúng thường phân hủy nhanh chóng hoặc bị động vật ăn xác thối tiêu thụ, không để lại bằng chứng bền lâu về sự tồn tại của chúng. Tuy nhiên, đôi khi, một số sinh vật được bảo tồn. Phần còn lại hoặc dấu vết của các sinh vật từ quá khứ theo niên đại địa chất được nằm trong đá bởi các quá trình tự nhiên được gọi là hóa thạch. Chúng cực kỳ quan trọng để hiểu lịch trình tiến hóa của sự sống trên Trái đất, vì chúng cung cấp bằng chứng trực tiếp về sự tiến hóa và thông tin chi tiết về tổ tiên của sinh vật. Cổ sinh vật học là chuyên ngành nghiên cứu về sự sống trong quá khứ dựa trên các ghi chép hóa thạch và mối quan hệ của chúng với các khoảng niên đại địa chất khác nhau.

Để hiện tượng hóa thạch diễn ra, dấu vết và phần còn sót lại của các sinh vật phải được chôn cất nhanh chóng để sự phong hóa và phân hủy không xảy ra. Cấu trúc xương hoặc các phần cứng khác của sinh vật là hình thức hóa thạch phổ biến nhất. Ngoài ra còn có một số dấu vết "hóa thạch" hiển thị khuôn, đúc hoặc dấu ấn của một số sinh vật trước đó.

Khi một con vật chết đi, các thành phần hữu cơ dần phân rã, khiến cho xương trở nên xốp. Nếu con vật sau đó bị chôn vùi trong bùn, khoáng chất muối xâm nhập vào xương và dần dần lấp đầy lỗ chân lông. Xương cứng lại thành đá và được bảo quản dưới dạng hóa thạch. Quá trình này được gọi là sự hóa đá. Nếu động vật chết được bao phủ bởi gió cát (wind-blown sand) và nếu sau đó cát bị biến thành bùn do mưa hoặc lũ nặng, thì quá trình xâm nhập khoáng chất tương tự có thể xảy ra. Ngoài việc hóa đá, xác chết của các sinh vật có thể được bảo quản tốt trong băng, trong nhựa cây cứng của cây lá kim (hình 3a), trong hắc ín hoặc trong kỵ khí, axit than bùn. Hóa thạch đôi khi có thể là một dấu vết, một vết hằn của một hình dạng nào đó. Các ví dụ bao gồm lá và dấu chân, hóa thạch được tạo thành các lớp sau đó cứng lại.

Hồ sơ hóa thạch

Có thể giải mã làm thế nào một nhóm sinh vật cụ thể tiến hóa bằng cách sắp xếp hồ sơ hóa thạch của nó theo trình tự thời gian. Trình tự như vậy có thể được xác định vì hóa thạch chủ yếu được tìm thấy trong đá trầm tích. Đá trầm tích được hình thành bởi các lớp phù sa hoặc bùn chồng lên nhau; do đó, kết quả là đá chứa một loạt các lớp ngang hoặc địa tầng. Mỗi lớp chứa hóa thạch điển hình cho một khoảng thời gian cụ thể khi chúng hình thành. Tầng thấp nhất chứa đá lâu đời nhất và hóa thạch sớm nhất, trong khi tầng cao nhất chứa đá trẻ nhất và hóa thạch gần đây hơn.

Một sự nối tiếp của động vật và thực vật cũng có thể được nhìn thấy từ những khám phá hóa thạch. Bằng cách nghiên cứu số lượng và độ phức tạp của các hóa thạch khác nhau ở các cấp địa tầng khác nhau, người ta đã chứng minh rằng các loại đá mang hóa thạch cũ chứa ít loại sinh vật hóa thạch hơn và tất cả chúng đều có cấu trúc đơn giản hơn, trong khi các loại đá trẻ hơn chứa một hóa thạch đa dạng hơn, thường có cấu trúc ngày càng phức tạp.

Trong nhiều năm, các nhà địa chất chỉ có thể ước tính khoảng tuổi của các lớp khác nhau và các hóa thạch được tìm thấy. Họ đã làm như vậy, ví dụ, bằng cách ước tính thời gian hình thành lớp đá trầm tích theo từng lớp. Ngày nay, bằng cách đo tỷ lệ phóng xạ và độ ổn định của các nguyên tố trong một loại đá nhất định, nhờ đó niên đại hóa thạch có thể được xác định chính xác hơn bởi các nhà khoa học. Kỹ thuật này được gọi là định tuổi bằng đồng vị phóng xạ.

Xuyên suốt hồ sơ hóa thạch, nhiều loài xuất hiện ở cấp độ địa tầng sớm đã biến mất ở cấp độ sau. Điều này chỉ ra thời gian các hình thành và tuyệt chủng loài được giải thích theo thuật ngữ tiến hóa. Các khu vực địa lý và điều kiện khí hậu đã thay đổi trong suốt Lịch sử Trái Đất. Vì các sinh vật thích nghi với các môi trường cụ thể, các điều kiện thay đổi liên tục khiến các loài sở hữu kiểu hình phù hợp để thích nghi với môi trường mới sẽ tồn tại còn ngược lại sẽ bị tuyệt chủng bởi cơ chế chọn lọc tự nhiên.

Mức độ của hồ sơ hóa thạch

Bất chấp sự hiếm có tương đối của các điều kiện phù hợp cho sự hóa thạch, ước tính 250.000 loài hóa thạch đã được đặt tên. Số lượng hóa thạch riêng lẻ này đại diện cho rất nhiều loài khác nhau, nhưng nhiều triệu hóa thạch đã được phục hồi: ví dụ, hơn ba triệu hóa thạch từ kỷ băng hà đã được phục hồi từ các hố nhựa đường La Brea ở Los Angeles. Nhiều hóa thạch khác vẫn còn ở trong lòng đất, trong các dạng địa chất khác nhau có chứa mật độ hóa thạch cao, cho phép ước tính tổng hàm lượng hóa thạch của sự hình thành. Một ví dụ về điều này xảy ra ở Beaufort Formation (một phần của Karoo Supergroup, bao gồm hầu hết Nam Phi), nơi có nhiều hóa thạch động vật có xương sống, bao gồm cả Bộ Cung thú (hình thức chuyển đổi bò sát- động vật có vú). Người ta ước tính rằng hệ tầng này chứa 800 tỷ hóa thạch động vật có xương sống. Các nhà cổ sinh vật học đã ghi nhận nhiều hình thức chuyển đổi và đã xây dựng "một hồ sơ toàn diện đáng kinh ngạc về các sự chuyển đổi quan trọng trong quá trình tiến hóa của động vật". Tiến hành khảo sát các tài liệu cổ sinh vật học, người ta sẽ thấy rằng có "các các bằng chứng phong phú cho việc tất cả các nhóm động vật chính có liên quan với nhau, phần lớn ở dạng hóa thạch chuyển đổi tuyệt vời". và người họ hàng của nó là Maotianshan shales, Myllokunmingia, Yunnanozoon, Haikouella lanceolata, và Haikouichthys.

Một số lý do cho sự không hoàn chỉnh của hồ sơ hóa thạch là:

• Nói chung, xác suất một sinh vật trở nên hóa thạch là rất thấp;
• Một số loài hoặc nhóm ít có khả năng trở thành hóa thạch vì chúng có thân mềm;
• Một số loài hoặc nhóm ít có khả năng trở thành hóa thạch vì chúng sống (và chết) trong điều kiện không thuận lợi cho hóa thạch;
• Nhiều hóa thạch đã bị phá hủy thông qua các quá trình xói mòn và kiến tạo;
• Hầu hết các hóa thạch là mảnh vỡ;
• Một số thay đổi tiến hóa xảy ra trong các quần thể ở giới hạn phạm vi sinh thái của một loài và vì các quần thể này có khả năng là số lượng nhỏ, nên xác suất hóa thạch thấp hơn (xem cân bằng ngắt quãng (punctuated equilibrium));
• Tương tự, khi điều kiện môi trường thay đổi, quần thể của một loài có khả năng bị giảm đáng kể, do đó bất kỳ thay đổi tiến hóa nào gây ra bởi các điều kiện mới này sẽ ít bị hóa thạch hơn;
• Hầu hết các hóa thạch truyền đạt thông tin về hình thức bên ngoài, nhưng ít khi về hoạt động trong cơ thể của sinh vật;
• Thông qua sự đa dạng sinh học ngày nay gợi ý rằng hóa thạch được khai quật chỉ chiếm một phần nhỏ trong số lượng lớn các loài sinh vật từng sống trong quá khứ.

  Ví dụ cụ thể từ cổ sinh vật học

  Tiến hóa của ngựa

  thumb|left|Hình 3e: [[Sự tiến hóa của ngựa cho thấy sự tái tạo của các loài hóa thạch thu được từ các tầng đá liên tiếp. Các sơ đồ chân là tất cả các hình ảnh phía trước của bàn chân trái. Xương gan tay (metacarpal bones) thứ ba được tô màu. Các răng được hiển thị trong phần dọc. Trình tự tuyến tính chỉ là một trong nhiều con đường trong cây phát sinh chủng loại ngựa.]] Do một hồ sơ hóa thạch gần như hoàn chỉnh được tìm thấy trong các trầm tích (sedimentary deposits) Bắc Mỹ từ đầu Thế Eocen cho đến hiện tại, ngựa cung cấp một trong những ví dụ tốt nhất về lịch sử tiến hóa (cây phát sinh chủng loại).

Chuỗi tiến hóa này bắt đầu với một loài động vật nhỏ gọi là Hyracotherium (thường được gọi là Eohippus ), sống ở Bắc Mỹ khoảng 54 triệu năm trước sau đó lan sang Châu Âu và Châu Á. Hóa thạch của Hyracotherium cho thấy nó khác với ngựa hiện đại ở ba khía cạnh quan trọng: đó là một con vật nhỏ (kích thước nag một con cáo), có cấu trúc tương đối nhẹ và thích nghi để chạy; các chi ngắn và thon, và bàn chân thon dài để các ngón gần như thẳng đứng, với bốn ngón ở chi trước và ba ngón ở chi sau; và răng cửa nhỏ, răng hàm có thân răng thấp với đỉnh răng hình tròn được phủ một lớp men răng.

Quá trình phát triển tương đối của ngựa từ Hyracotherium đến Equus (ngựa hiện đại) liên quan đến ít nhất 12 chi và hàng trăm loài. Các xu hướng chính được thấy trong sự phát triển của ngựa để thích nghi với điều kiện thay đổi của môi trường có thể được tóm tắt như sau:

• Tăng kích thước (từ 0,4 m lên 1,5 m  -từ 15 in lên 60 in);
• Kéo dài chi và bàn chân;
• Giảm các ngón bên;
• Tăng chiều dài và độ dày của ngón thứ ba;
• Tăng chiều rộng của răng cửa;
• Thay thế răng tiền hàm bằng răng hàm; và
• Tăng chiều dài răng, chiều cao thân răng hàm.

Thực vật hóa thạch được tìm thấy ở các tầng khác nhau cho thấy đầm lầy, vùng đất nhiều cây cối (wooded country), nơi Hyracotherium sống trở nên khô hơn. Sự sinh tồn bây giờ phụ thuộc vào cái đầu ở vị trí cao để có được cái nhìn rõ hơn về vùng đất (countryside) xung quanh, và tốc độ cao để thoát khỏi kẻ săn mồi, do đó tăng kích thước và thay thế bàn chân rộng (splayed-out foot) bằng chân có móng guốc (hoofed foot). Mặt đất khô hơn, cứng hơn sẽ khiến bàn chân rộng ban đầu không cần thiết và bị loại bỏ. Những thay đổi trong răng có thể được giải thích bằng cách giả định rằng chế độ ăn thay đổi từ thảm thực vật mềm sang cỏ. Một chi trội từ mỗi niên đại địa chất đã được chọn (xem hình 3e) để cho thấy sự thay đổi chậm rãi của dòng ngựa từ tổ tiên của nó sang hình thức hiện đại của nó.

Chuyển đổi từ cá sang động vật lưỡng cư

Trước năm 2004, các nhà cổ sinh vật học đã tìm thấy hóa thạch của động vật lưỡng cư có cổ, tai và bốn chân, trong tảng đá không quá 365 triệu năm tuổi. Trong những tảng đá hơn 385 triệu năm tuổi, họ chỉ có thể tìm thấy cá, không có những đặc điểm lưỡng cư này. Thuyết tiến hóa dự đoán rằng do động vật lưỡng cư tiến hóa từ cá, một dạng trung gian nên được tìm thấy trong đá có niên đại từ 365 đến 385 triệu năm trước. Một dạng trung gian như vậy sẽ có nhiều đặc điểm giống cá, được bảo tồn từ 385 triệu năm trước trở lên, nhưng cũng có nhiều đặc điểm lưỡng cư. Vào năm 2004, một đoàn thám hiểm tới các hòn đảo ở Bắc Cực thuộc Canada, đã tìm ra dạng hóa thạch này trong các tảng đá 375 triệu năm tuổi, loài này được đặt tên là Tiktaalik. Tuy nhiên, một vài năm sau đó, các nhà khoa học ở Ba Lan thông báo đã tìm thấy bằng chứng về hóa thạch dấu chân của động vật bốn chân còn tồn tại trước cả (tracks predating) loài Tiktaalik.

Bằng chứng từ địa lý sinh học

Dữ liệu về sự hiện diện hay vắng mặt của các loài trên nhiều lục địa và đảo địa lý sinh học) có thể cung cấp bằng chứng về tổ tiên chung và làm sáng tỏ các mô hình của sự hình thành loài.

Phân bố lục địa

Tất cả các sinh vật thích nghi với môi trường của chúng ở mức độ cao hơn hoặc thấp hơn khoảng giới hạn. Nếu các yếu tố phi sinh học và sinh học trong môi trường sống có cho phép một loài cụ thể có thể sinh tồn trong một khu vực địa lý, thì người ta có thể cho phỏng đoán rằng cùng một loài sẽ được tìm thấy trong một môi trường tương tự trong một khu vực địa lý tương tự, ví dụ ở Châu Phi và Nam Mỹ. Nhưng kết quả thực tế lại không như vậy. Các loài thực vật và động vật được phân bố không đồng đều trên khắp thế giới:

• Châu Phi có khỉ cựu thế giới, vượn, voi, báo hoa mai, hươu cao cổ và họ Hồng hoàng.
• Nam Mỹ có khỉ tân thế giới, báo sư tử, báo đốm, lười, lạc đà không bướu và chim Toucan.
• Sa mạc ở Bắc và Nam Mỹ có họ xương rồng bản địa, nhưng sa mạc ở Châu Phi, Châu Á và Úc có thực vật mọng nước (ngoài Rhipsalis baccifera) vốn là họ đại kích bản địa trông giống với họ xương rồng nhưng rất khác nhau.

Thậm chí sự khác biệt lớn hơn có thể được tìm thấy nếu xem xét châu Úc, mặc dù nó có cùng vĩ độ như phần lớn châu Nam Mỹ và châu Phi. Thú có túi giống như kangaroo, bandicoot và chi mèo túi chiếm khoảng một nửa số loài động vật có vú bản địa ở Úc. Ngược lại, thú có túi ngày nay hoàn toàn vắng bóng ở châu Phi và tạo thành một phần nhỏ hơn của hệ động vật có vú ở Nam Mỹ, nơi chồn opossum, chuột chù có túi và khỉ bụi rậm nhỏ được tìm thấy. Đại diện sống duy nhất của động vật có vú nguyên thủy (bộ đơn huyệt là thú lông nhím và thú mỏ vịt. Loài thú lông nhím mỏ ngắn và các phân loài của nó sinh sống ở Úc, Tasmania, New Guinea và Đảo Kangaroo trong khi loài ( thú lông nhím mỏ dài ) chỉ sống ở New Guinea. Thú mỏ vịt sống ở vùng biển phía đông Australia. Chúng đã được đưa đến Tasmania, Đảo King và Đảo Kangaroo. Những sự loài động vật đơn huyệt này hoàn toàn không có ở phần còn lại của thế giới. Mặt khác, Úc đang thiếu nhiều nhóm động vật có vú nhau thai phổ biến ở các lục địa khác (bộ Ăn thịt, bộ Guốc chẵn, họ chuột chù, họ sóc, bộ thỏ), mặc dù nó có loài gặm nhấm bản địa như bộ dơi và chuột cựu thế giới; nhiều thú có nhau khác, chẳng hạn như thỏ và cáo, đã được con người đem tới đó.

Các ví dụ phân bố động vật khác bao gồm gấu, nằm trên tất cả các lục địa, ngoại trừ Châu Phi, Úc và Nam Cực, và gấu Bắc cực chỉ ở Vòng Bắc Cực và các khối đất liền kề. Chim cánh cụt chỉ được tìm thấy xung quanh Nam Cực mặc dù Bắc Cực có điều kiện thời tiết tương tự. Các họ của bộ bò biển được phân bố ở toàn bộ vùng biển trên Trái Đất, nơi lợn biển nằm ở vùng biển phía tây châu Phi, vùng biển phía Bắc Nam Mỹ và vùng biển Tây Ấn chỉ trong các họ có liên quan, cá cúi, chỉ nằm ở vùng biển châu Đại Dương phía bắc Úc và bờ biển quanh Ấn Độ Dương. Bò biển Steller bây giờ đã tuyệt chủng cư trú tại Biển Bering.

Các loại hóa thạch tương tự được tìm thấy từ các khu vực được biết là liền kề với nhau trong quá khứ, nhưng qua quá trình trôi dạt lục địa, hiện đang ở các vị trí địa lý khác nhau. Ví dụ, hóa thạch cùng loại lưỡng cư cổ đại, động vật chân đốt và dương xỉ được tìm thấy ở Nam Mỹ, Châu Phi, Ấn Độ, Úc và Nam Cực, có thể có niên đại Đại Cổ sinh khi các khu vực này được hợp nhất thành một vùng đất rộng lớn được gọi là Gondwana. Đôi khi con cháu của những sinh vật này có thể được xác định và cho thấy sự tương đồng không thể nhầm lẫn với nhau, mặc dù hiện tại chúng sống ở những vùng và khí hậu rất khác nhau.

Địa lý sinh học đảo

thumb|**Hình