基因不断发生突变，经过漂移和自然选择，带有适应环境条件基因的个体有机会生产更多的后代，带有这种基因的个体在种群中的数量就会增长，生物就不断地进化。生物种群在自然选择下虽然缓慢地进行改变，经过多年的积累，从原有的种群中就可能发展出新的种属。少数决定生物器官空间位置和结构的基因突变，也会在短期内就造成性状不同的生物体的出现。人类的进化历史并不算长，人和黑猩猩都由共同祖先进化而来，两者血清白蛋白的遗传基因（氨基酸序列）只有1.2％的差异。
研究表明，大气中的氧是在距今21—20.3亿年间突然增加，并在距今15亿年时接近了今天的含量。大气中氧含量增加对于生物的进化有关键影响。氧不仅对多细胞生物呼吸是必需的，同时，也只有在大气中氧多到形成臭氧层以后，才能阻挡太阳辐射中紫外线过多进入地球表面，减少紫外线产生的对基因的破坏作用，使得生物能在陆地上立稳脚跟。在此之前，原始生命只是生活在海洋中的原核生物，原核生物向真核生物和多细胞生物的进化也正好发生在大气氧含量增加后的这段期间。
有细胞核的真核生物又经历了很长时间，到距今约20亿年才产生。距今约10亿年前进化出多细胞藻。绿藻在大约5亿年前由海上移植到陆地，一部分成为台藓，另一部分逐渐发展出纤维管道，成为草本植物的前身。再经过约五千万年，发展出有性繁殖的种子植物。到1.5亿年前，出现了有花植物。
多细胞动物在距今约6亿年前产生，最早的动物区系是在澳大利亚发现的以该地名命名的厄底咯拉。到5.3亿年前的寒武纪，厄底咯拉动物种群虽然已经绝灭，但此后仅500万年间，海洋内多细胞动物又以爆发的形式大量产生。当时地质和气候也处于急剧变动的时期。随后的动物生命历史只不过是在这个时期内形成的动物继续缓慢进化，在解剖学基础上的改进而已。
寒武纪生命大爆发的产生原因仍在研究之中，但它已改变了我们对生物历史的了解。生命的历程既经历了爆发式的突增和绝灭，又经历了物竞天择的缓慢的进化。在多细胞生命开端，生命之林像灌木丛一样产生了大量的细枝，以后的历史是大多数细枝的消亡和少数嫩枝幸运的存活和不断进化。现代分子生物学和占生物学的进步使我们可以从基因突变产生的差异中找到生物种问的亲缘关系，建立进化丛林各个树枝的联系。
地球生物生存的环境在不停的变化，环境的压力和生存竞争产生的选择压力都促使生物向增加复杂性的方向进化。首要的环境压力是气候的变化所带来的。
地球的气候主要决定于地球表面对太阳光接受的多少。地球的早期由于连绵不断的火山爆发，释放到大气中的二氧化碳很多，产生的温室效应使得那时的地球比现在温暖得多。温暖的气候和丰富的二氧化碳使得植物生长繁盛，植物的增加消耗二氧化碳，同时也调节温度，使之降低。大量植物在死亡以后，将碳沉积下来，形成今天我们的矿石能源（煤炭）。
在地球的演化史上曾经周期性地出现过冰期，也遭受过来自空间的小行星的撞击，还有过大量的地震、火山爆发、洪水泛滥等自然灾害。有些灾害是如此严重，以至当时生物品种的大部都遭到绝灭。过去5.4亿年中出现过五次大的生物绝灭的灾害。最严重的一次发生在2.1亿年前，当时火山爆发、地震不断、气候突变、生物物种的90％以上都在短短十几万年的时间内灭绝了。
在这次灾害过后，地球的气候有过一段非常温暖的时期，称为侏罗纪，为恐龙统治世界创造了良好的环境条件。哺乳动物的祖先无法与恐龙竞争，没有在同时发展成为大型的、智能较高的动物。只有一些小型的生活在地下的哺乳动物在当时得以生存。
在恐龙统治的后期（由1.26亿年到6千5百万年前的白垩纪后期），地球气候发生变化，几百万年内，气温一直下降，许多热带生物相继绝种。同时陆地变得干燥，内陆形成酷暑和寒冬，植物生长不良，恐龙数量开始减少。
正在恐龙生长环境恶化的时候，6500万年前另一次著名的灾害发生了。可能有一颗外来的小行星撞击到地球（推测位置在北美墨西哥湾），引发一场大爆炸，激起的冲天尘埃和毒气笼罩整个大气层，完全阻挡住阳光，全球一片黑暗，致使地表温度下降，陆地物种减少了88％，海洋物种减少了50％，称霸地球上亿年的恐龙绝灭。这次灾害终止了爬行动物的统治，而当时存在的体积较小的哺乳类动物获得了发展的机会。
部分科学家推测，如果这些环境灾害没有发生，或者晚发生几千万年，恐龙有可能会发展出高度的智慧。因为恐龙和人类的祖先一样，可以做到双腿直立，将前肢解放出来，它的双眼位于前方，拥有立体视觉，这样的生命性状和器官结构完全可能在进化过程中发展出智力。如果是那样的话，哺乳动物就没有足够的生存空间，而今天的人类也就不会进化出来了。
由于海洋、生物和大气之间的相互作用，地球大气成分基本稳定以后，气候仍然变化多端。恐龙绝灭后2千万年，地球又处于温暖的气候。当时，伦敦的温度和现在的热带温度一样，以后又再次冷却。根据化石的记录，过去1亿年内，海洋底层水的温度降低了15度，海平面降低了几百米，在距今约2000万年时，南极大陆出现了永久性冰层覆盖，出现南极冰原和冰河，到1千4百万年前，冰原扩张，冻结了大量水蒸气，地球变得干燥，森林部分退化为草原，许多哺乳动物也因此消失。
近900万年前，阿拉斯加出现高山冰河。在非洲东部，由于造山运动，地壳隆起，形成一个大裂谷，使气候干燥，雨林面积缩小。非洲灵长类动物开始分三路进行演化，其中一路最后发展成人类的直系祖先。到650万年前，南极冰原增厚，使得海平面下降，欧洲和非洲联接在一起，地中海成为内湖并逐渐蒸发干涸。500万年前，喜马拉雅山隆起，挡住了印度洋吹来的湿润西风，造成中国北方的干旱，南方则在太平洋气流影响下保持湿润。
可能在700—800万年前，由于非洲东部地区持续干旱，森林破坏，非洲猴物种中的一支留在森林中，继续栖息在树木上，变得更加适应森林生活，演化成今天的大猩猩。第二支开始向森林边缘转移，但不完全脱离森林，同时到草原上觅食，演化为黑猩猩。第三支因无法和其他两支在森林中竞争，被迫走上新的生存道路，到距今约400—500万年，在非洲南部已经出现直立行走的南方古猿。这个物种开始以双足走路，发展出杂食的习惯，懂得和家人分工合作，分享食物，最后转变为人类祖先古猿。最近的研究表明，今天的人类和自己血缘上最近的亲戚——侏儒黑猩猩具有99％相同的基因，只有1％的差别；人类和黑猩猩有2.3％的差异；和大猩猩则有3.3％的差异。而由基因突变和自然选择在几百万年中形成的这些微小的差别，就造成了我们和我们远祖兄弟之间的鸿沟。
在严酷的自然环境中，每种生命都始终不屈不挠地进行着生存奋斗。一些种群虽然消亡了，而另一些种群又兴起，通过基因突变、重组和自然选择使自身不断进化以适应地球环境的变动，求得更好的生存和发展。同时生物又通过自己的活动不断地改变地球的环境和面貌，光合作用使大气圈中的氧气增长和维持平衡，植物的繁荣促使大陆表层的土壤生成，为向高等生物的进化创造了条件。经过几十亿年沧海桑田的变迁，在地壳岩石圈外形成了生物圈和含有充分氧气的大气圈，整个地球成为多种生物共生的协同进化的生态系统。
在生态系统中，植物从太阳光中获取能量，动物则以植物或另一种动物为食，形成由植物到食草动物，再到食肉动物的食物链；动物和植物死亡后又有微生物将之还原为各种组成元素，完成能量和物质的流动和转化循环过程。在流动转化过程中，物质和能量都是守恒的。由于热力学第二定律的支配作用，能量流动的方向是不可逆的单向流动，构成生物的各种化学元素则可以循环利用。从外界获得的能量和物质在内部每一级的转化中都会有部分损耗，成为无用的热能和废料。有活力的生态系统会自动发展出多种生物种属，利用各级转化过程中的废料和能量，使得在符合能量和物质守恒规律的转化过程中，能量得到最充分的利用，物质可以持续地循环利用。物质的循环利用，特别是水及碳、氮、磷、钾等各种营养元素的循环对维持生态系统稳定发展十分重要。
生物在生态系统中利用资源的方法，以及对其他生物的依赖和影响决定了它在生态系统中的生态位置和功能。大部分生物具有不同的生态位，互相之间不发生直接的生存竞争，而是共同促进生态系统中能量的转化、物质的循环，保持生态系统中种群的相对稳定和平衡。处于同一生态位的生物为争夺资源，如水、阳光、食物和生存空间等而直接竞争，优胜劣汰，直接竞争的生物中的劣势者不是灭绝，就是改变生态位。处于不同生态位的生物之间通常相互合作，实行协同进化。一些早期互相竞争的物种，也可能在过程中由竞争改变为协同。
当生态系统中的能流和物流能持续进行、各种生物种群数量相对稳定时，生态系统处于平衡状态。通常生态系统有一定程度的自适应能力，以保持生态系统的稳定，对抗因自然条件变化而产生的破坏。生态系统的组成成分越多，生态位越多，生物多样性就越丰富，相互依从、相互制约和生存途径也越多，自身调节和抗逆的能力也越强。
在自然选择和淘汰的过程中，生物世界的演化，是一个向越来越复杂的适应系统进化的过程。它实现的条件是：（1）个体基因中存在偶然的突变，不断增加可遗传的信息量；
（2）突变的基因融合于原来基因之中，可以复制和繁殖，突变基因在繁殖过程中传递和在种群中漂移积累；（3）环境的压力，造成具有不同基因个体之间的竞争，不适应环境的个体被淘汰，适应环境的个体生衍。
恶劣的生存环境造成大量不适应物种的消亡，所腾空出来的生态位又会迅速为适应环境压力的新物种所填充。今天生物界的精英都是在恶劣环境中经过千锤百炼而得以生存和发展的。在地球生物圈的演化过程中，人是最后产生的物种。在人出现后的短短历史时期内，人已经成为地球的主宰力量，生物圈和大气圈都打下了深深的人类活动的烙印。建立人和自然和谐相处的关系已成为人类自身持续发展的关键。
第四节DNA双螺旋结构模型
美国生物学家沃森（1928一）和克里克（1916一）提出的DNA的分子结构双螺旋模型是20世纪最伟大的科学成就之一，它使得人们得以从分子水平上认识和描绘生命现象，为人们理解DNA的自我复制、发育功能和突变提供了坚实的科学基础，为生命科学的发展开辟了无限广阔的前景，使得人们已经掌握的物理学、化学、信息科学和技术等都有可能直接与生命科学相结合，使得20世纪的生命科学发生长足的进步，极大加深了人们对于生命本质的认识和理解，包括科学意义上的和哲学意义上的。
一、前期工作
DNA双螺旋结构的发现是在生命科学研究中直接使用物理学研究手段获得的。1895年，x射线被发现，随后物理学家们用它来研究物质结构，在物理科学和材料科学中取得丰硕成果。
二次大战结束后，一批物理学家进入生物学研究领域，给生物学带来了一些物理学研究的新方法和新手段，X射线就是其中之一。
在发现双螺旋结构之前，已经有许多科学家做出了奠基性工作。美国加州理工学院的鲍林（1901一1994）用x射线照射蛋白质发现a螺旋结构，提示DNA的分子结构的基本轮廓；伦敦国王学院的弗兰克林（1920一1958）和维尔金斯（1916一）用X射线拍摄到NA晶体的极好的衍射图样，这些图样成为人们“猜测”DNA双螺旋结构的直接依据；查加夫（1905一）则利用紫外线吸收光谱作定量分析，证明在DNA大分子中，嘌呤和嘧啶的总份数相等，这一研究为DNA双螺旋结构中起关键作用的碱基配对原则奠定了科学基础。沃森和克里克提出的模型，正是在这些工作的基础上发展出来的。他们二人合写的论文发表在1953年4月号的英国《自然》杂志上。