Синтетическая теория эволюции дала объяснение факторам, вызывающим микроэволюцию, т. е. эволюцию внутри популяции в пределах поколений. Макроэволюцию приверженцы этой теории объясняют постепенными изменениями в результате микроэволюции.

Некоторые сведения о генах. Каждая клетка любого живого существа имеет комплекс генов, которые собраны в различные хромосомы. Каждый ген управляет синтезом белка или его части, а совокупность генов (генотип) определяет особенности индивида. Индивид передает своим потомкам все свои гены (если он размножается неполовым путем) или только часть их (если размножение происходит половым путем).

Естественный отбор. При размножении два индивида обычно образуют большое количество зародышей (например, тысячи или миллионы икринок рыб), из которых только некоторые дорастают до взрослых особей, в свою очередь способных размножаться. Синтетическая теория эволюции, основываясь на теории Дарвина, утверждает, что исчезновение особей происходит не случайно, а выборочно, т. е. происходит в результате естественного отбора, и связано с особенностями каждого индивида. Важно подчеркнуть, что особи популяции неодинаковы, у них есть лишь определенное количество общих черт. Различие между индивидами может проявиться во внешнем облике (в фенотипе), но особенно ярко оно выражено на уровне генов. В результате естественного отбора сохраняются только особи, наилучшим образом приспособленные к среде обитания (они наиболее успешно добывают себе пропитание, менее заметны для хищников, лучше переносят засуху и т. д.). Существование такого отбора подтверждается многочисленными примерами, самый яркий из которых — приведенный выше пример бабочки березовой пяденицы.

Знакомство с механизмами наследственности позволило лучше понять, каким образом естественный отбор, воздействующий на каждую особь, отражается на эволюции всей популяции. Фенотип каждой особи определяет степень ее адаптации к среде, сам же фенотип определяется комплексом генетических особенностей (генотипом). Особь, имеющая больше, чем другие, шансов выжить, имеет и больше шансов для размножения и передачи своего генотипа своему потомству (говорят, что этот генотип имеет лучшую адаптивность). Генотип, улучшаемый естественным отбором (и соответствующий ему фенотип), с каждым поколением становится все более частым, в то время как генотип с наименьшей адаптивностью становится все более редким.

Генетические мутации. Гены, а в более общем случае хромосомы, могут подвергаться различным изменениям.

Существуют так называемые «пунктирные» мутации, поскольку они касаются только небольшой части гена, однако их влияние на характер белков, состоящих из измененных генов, может быть очень значительным. Другие мутации связаны с расщеплением некоторых участков хромосом и их перестройкой или же с присутствием в хромосомах переместимых элементов (генных элементов, перемещающихся внутри хромосомы), которые способны размножаться и внедряться в другие области хромосом.

Поскольку мутации сопровождаются появлением нового генотипа, они являются источником генетических новообразований на уровне популяции и вида. Если мутация у какой-то особи происходит раньше, чем у других особей популяции, измененная особь начинает производить больше потомства, чем неизмененные, и на протяжении поколений все больше и больше особей в популяции несут в себе измененный ген. Поэтому именно сочетание мутации и естественного отбора (а не одни только мутации) приводит к эволюции популяции.

Изменение генотипа особи может также происходить благодаря так называемой горизонтальной передаче гена между двумя видами. Однако сегодня наука еще не располагает достаточной информацией о частоте таких событий и о влиянии, которое они могут оказать на эволюцию.

Другие случаи эволюции. Помимо мутаций и естественного отбора к эволюции популяции могут приводить и другие механизмы. Популяция вида редко бывает в течение долгого времени изолирована от других популяций (если это происходит, ее эволюция часто приводит к формированию нового вида). Популяция может также получить или потерять некоторые генотипы при миграции особей или при расселении спор, пыльцы или семян. Приобретение или потеря генов, таким образом, происходит только по воле случая, но приобретенные гены затем могут подвергнуться естественному отбору, и это уже не случайно.

Наконец, крупное и необычное изменение среды (наводнение, экстремальные климатические условия) или воздействие человека может случайно (то есть без учета адаптивности особей) привести к исчезновению большого числа особей в популяции. Поскольку генотип оставшихся особей — результат случайности, то вполне возможно, что популяция, которая образуется из оставшихся особей, будет сильно отличаться от первоначальной популяции.