ישנם מספר מנגנונים שמרחיבים את המגוון הגנטי באוכלוסייה. מוטציות (יצירת אללים חדשים לחלוטין) הן מנגנון הגיוון העיקרי בגנום של יצורים בעלי רבייה אל-זוויגית. מנגנון נוסף לגיוון גנטי בחלק מיצורים אלה הוא מנגנון העברה גנטית אופקית – בעיתות מצוקה קיומית, ישנם חד תאיים הנוטים לספח חומר תורשתי מפרטים מתים ולשלבו בחומר התורשתי שלהם. לעיתים שילוב זה יוצר צירוף חדש בין גנים ותיקים וצירוף זה מאפשר שרידה. דרך נדירה יותר להעברה גנטית אופקית היא העברת חומר גנטי מפרט לפרט בשל תקלה בפעולתו של נגיף או סיפוח חומר תורשתי של נגיף אל החומר התורשתי של היצור החי. חלבוני סוכך הם דוגמה לחומר תורשתי הקיים בייצורים חיים רבים ומקורו בחומר תורשתי של נגיף.
הגיוון הגנטי של אוכלוסיות בעלות רבייה זוויגית גדול בהרבה משל אלה שאינן מתרבות בזיווג. זאת משום שבאוכלוסיות של יצורים אלה יש שחלוף קבוע של חומר הגנטי בעת הרבייה. שחלוף זה מאפשר יצירה של צירופים חדשים בין אללים קיימים ומגביר את סיכויי האללים האלה לשרוד. סיבה נוספת לגיוון הגנטי הרב במינים המתרבים זוויגית היא העובדה שהם דיפלואידים – כלומר יש להם מערכת גנטית כפולה.
באוכלוסיות בעלות רבייה זוויגית קיימים מעט מאוד פרטים הזהים זה לזה בכל מטענם הגנטי (תאומים זהים). הגירה בין אוכלוסיות (זרימת גנים) מייבאת אללים חדשים ומגדילה את המגוון הגנטי של האוכלוסיות. על אף שצירופי הגנים אצל הפרטים באוכלוסייה משתנים מדור לדור, תדירות האללים באוכלוסייה כולה נותרת קבועה למדי, כל עוד אין פועלים על האוכלוסייה כוחות אבולוציוניים. אצל רוב מיני היונקים, עבור למעלה מ-90% מהגנים יש רק אלל אחד.
מינים מסוימים מתרבים באופן לא זיווגי בסביבות נוחות למחיה אך מתרבים זיווגית בסביבות קשות (תולעים נימיות למשל) או מפעילים מנגנונים אחרים להחלפת גנים בין פרטים (העברה גנטית אופקית בחיידקים). נישואי קרובים והאבקה עצמית מעודדים ביטוי פנוטיפי של המגוון הגנטי. מנגנונים אלה מזרזים הן סילוק של אללים מזיקים מהמאגר הגנטי של האוכלוסייה והן עלייה בתפוצתם של אללים שמתאימים לסביבה. ברמת הפרט, ברירת שארים והאבקה עצמית תורמות ליכולת הרבייה רק בסביבות מחיה קשות מאוד.
סחף גנטי.
סחף גנטי הוא תופעה בגנטיקה של אוכלוסיות שבה נוצר שוני אקראי ומשמעותי בתדירות האללים בין דור לדור. סחף גנטי מתרחש כמעט אך ורק באוכלוסיות קטנות, משום שהחוק החלש של המספרים הגדולים קובע, שבמדגמים קטנים יש סיכוי טוב שתהליכים שווי הסתברות, כמו הורשת כל אחד משני אללים שווי תפוצה, לא יתרחשו במספר דומה של מקרים. לדוגמה: באוכלוסייה אנושית קטנה של 10 משפחות עם תפוצה שווה של אלל לעיניים כחולות ואלל לעיניים חומות, סביר מאוד שדור ההורים יוריש לדור הבנים יותר אללים לעיניים כחולות (או להפך, חומות). בניגוד לכך, באוכלוסייה אנושית בת 10,000 משפחות, הסיכוי להורשה לא שווה של שני האללים הוא אפסי. סחף גנטי לעיניים כחולות היה בעדה הדרוזית (בראשית דרכה).
ברירה טבעית.
הברירה הטבעית היא הרעיון החשוב ביותר בתורת האבולוציה.
החומר התורשתי מועבר מדור לדור ברבייה ולעיתים נוצרים בו שינויים, המועברים גם הם ברבייה. שינויים כאלה יכולים להיווצר במוטציה או בשחלוף. השפעת השינויים יכולה להיות זניחה, משמעותית לחיוב או משמעותית לשלילה עבור תפקוד האורגניזם בסביבתו. ברירה טבעית היא מצב שבו תנאי הטבע בסביבה מסוימת נותנים לפרטים המבטאים ומורישים תכונה מסוימת סיכוי טוב יותר להתרבות מאשר לפרטים אחרים באותה הסביבה. לדוגמה, בסביבה מוכת מלריה, יש ברירה טבעית לטובת אנשים שכדוריות הדם האדומות שלהם חיות זמן קצר יותר מהמקובל, כגון נשאי אנמיה חרמשית. מין טקסונומי הוא קבוצה של אוכלוסיות המסוגלות לקיים ביניהן קשרי רבייה. בעקבות תהליך הברירה הטבעית גדלים ההבדלים בין אוכלוסיות נפרדות של אותו מין. תהליך זה יכול גם לגרום לאוכלוסייה ממין מסוים להתפתח למין חדש.
התרבות תכונות מסוימות בסביבה מסוימת נובעת משלוש עובדות:
תנאים אלה יוצרים תחרות שרידה תוך מינית. פרטים בעלי יתרון בתחרות מעמידים יותר צאצאים. אם היתרון נובע משוני בחומר התורשתי, אזי יש סיכוי שהם יורישו יתרון זה, עם החומר התורשתי המקודד לו, לצאצאיהם. באופן זה, אחוז הפרטים באוכלוסייה שהם בעלי התכונה הנותנת יתרון יגדל מדור לדור.
הסתגלות אבולוציונית.
הסתגלות היא שינוי בתכונה המגביר את יכולת ההישרדות וההתרבות. חלק גדול מההסתגלויות הן שינוי קטן במבנה קיים, שמאפשר לו תפקיד חדש. לדוגמה, שינוי גזרת כף היד והאצבעות באבות האדם, ממבנה המתאים בעיקר ללפיתת ענפי עצים למבנה המתאים בעיקר לשימוש בכלים.
אבולוציה מתבדרת ואבולוציה מתכנסת.
אבולוציה מתבדרת מתרחשת כאשר האוכלוסייה נפרדת לשתי אוכלוסיות חדשות. כל אוכלוסייה חדשה ממשיכה להשתנות באופן עצמאי והדרגתי. בחלוף הדורות, שתי האוכלוסיות הופכות פחות ופחות דומות זו לזו. השינויים הללו יכולים להתבטא במבנה הגוף, בפיזיולוגיה, בהתנהגות או רק ברמה המולקולרית. תהליך זה מואץ ככל שההבדל בין הסביבות (גומחות אקולוגיות) של האוכלוסיות גדול יותר.
אבולוציה מתכנסת היא תהליך שבו ההבדלים בין מינים שונים הולכים וקטנים בעקבות הסתגלות לסביבות דומות. זהו תהליך הפוך לאבולוציה מתבדרת.
הסתגלות לתעופה היא דוגמה טובה לאבולוציה מתכנסת. חרקים, פטרוזאורים, עופות ועטלפים, כולם משתמשים באותה שיטת תעופה וצורת הכנפיים שלהם דומה. זאת אף על פי שכל אותם האורגניזמים פיתחו כושר תעופה באופן בלתי-תלוי. דוגמה אחרת היא המראה והתפקוד הדומים של הכלבים, הצבוע (שעל פי ממצאים גנטיים קרוב יותר לחתול מאשר לכלב) והשד הטסמני שהוא חיית כיס.
חוקרי האבולוציה התרבותית משתמשים באבולוציה מתכנסת כדי להסביר את התפתחותן של הסתגלויות דומות לתנאי סביבה דומים של חברות שונות.
קו-אבולוציה.
קו-אבולוציה (Co-evolution או אבולוציה הדדית), היא השינוי שמתחולל בהרכב הגנטי של שני מינים המקיימים ביניהם יחסי גומלין, כתוצאה מהברירה הטבעית שהם מפעילים זה על זה. בתהליך זה מתפתחות בכל אחד משני המינים האלה תכונות שמתאימות אותם זה לזה. מוכרים סוגים ותת סוגים אחדים של קו-אבולוציה:
תורת המשחקים האבולוציונית.
היחסים בין פרטים מאותו מין הם יחסי תחרות מוגבלת – יחסים של סיוע הדדי המשולבים בניסיון השתלטות על המשאבים המשותפים. הדבר נכון גם לגבי מינים לא חברתיים. גם במינים אלה יש שיתוף פעולה בין הפרטים, כמו העמדת צאצאים ברבייה מינית.
בתורת המשחקים, תכסיס (אסטרטגיה) הוא תוכנית פעולה שמורה לשחקן כיצד לפעול בכל מצב אפשרי של המשחק. אסטרטגיה יציבה אבולוציונית היא האסטרטגיה שלפי המודל, הברירה הטבעית תפעל תמיד להקנותה למרבית הפרטים באוכלוסייה.
התכונות התורשתיות המאפשרות שרידה והתרבות של הפרט מנחות אותו לתת ולקחת מהפרטים הנכונים בזמן הנכון. מצב זה מאפשר לחזות אבולוציה תוך מינית בעזרת מודלים מספריים מתורת המשחקים. מודלים כאלה יכולים לחזות אסטרטגיה יציבה אבולוציונית כמו ויתור רב יותר לבנים מאשר לאחים, ולאחים מאשר לבני דודים (לאח יש בממוצע קרבה גנטית כמו לבן) וכמו יחס של יצורים חברתיים למוטנט שמתנהג בתועלתנות (במקרים מסוימים לכלל העדר עדיף להחזיק בתוכו את הפרטים התועלתנים, ובמקרים אחרים עדיף לנדות אותם). מודלים בולטים אחרים הם דילמת האסיר ומידה כנגד מידה.
מקרואבולוציה.
מקרואבולוציה היא אבולוציה המתרחשת ברמה הגבוהה מרמת המין. המחקר במקרואבולוציה עוסק בעיקר בגילוי תהליכים מקרו-אבולוציוניים ובהערכת חשיבותם. בניגוד להליכי האבולוציה בתוך המין, נכון לעשור הראשון של המאה ה-21, אין במקרואבולוציה מודלים מתחום תורת המשחקים. התצפיות בתחום מחקר זה נעזרות בעיקר בביומטריה מולקולרית, באנטומיה השוואתית ובפלאונטולוגיה – תיעוד המאובנים. תהליכים מרכזיים במקרואבולוציה:
ספציאציה.
ספציאציה היא תהליך שבמהלכו מסתעף מין מסוים לשני מינים או יותר. תופעה זו נצפתה פעמים רבות, גם בתנאי מעבדה וגם בטבע. ספציאציה, אצל אורגניזמים המתרבים תוך רבייה זוויגית, מתרחשת כאשר פרטים מבודדים רבייתית זה מזה. הם מולידים צאצאים שנשארים מבודדים משאר האורגניזמים של אותו המין, ומתרבים בינם לבין עצמם בתוך אותה אוכלוסייה מבודדת.
ישנם כמה מנגנוני התמיינות שונים:
אירועי ספציאציה תורמים לשיווי המשקל המקוטע – קפיצות/"התפרצויות" אבולוציוניות קצרות מלוות בתקופות ארוכות שבמהלכן המינים נשארים יחסית ללא שינוי. תאוריה זו משערת זיקה בין ספציאציה לאבולוציה מואצת, כאשר יש ברירה טבעית או סחיפה גנטית חזקות בנישות חדשות או באוכלוסיות קטנות.
הביוגאוגרפיה חוקרת את תפוצתם של בעלי חיים וצמחים בתנאי מחיה מבודדים ואת ההסבר לתהליכי ההסתגלות השונים שלהם. לדוגמה, הביוגאוגרפיה משווה את יונקי הביב וחיות הכיס הנפוצים באוסטרליה ליונקי השליה הנפוצים בשאר העולם, כולל את דרך היכחדותם משאר העולם.
היכחדות.
היכחדות היא היעלמות מוחלטת של מין כלשהו. זהו אירוע נפוץ המהווה חלק אינטגרלי מתהליך המקרו-אבולוציה. מינים נוצרים ונכחדים באופן תדיר. מספר המינים הקיימים בעולם בכל תקופה נתונה (למעט תקופת תחילת קיום החיים) הוא זעום לעומת מספר המינים שהתקיימו אי פעם. תהליך האבולוציה של המינים השורדים מושפע גם מההיכחדות של מינים אחרים.
תהליכי היכחדות עיקריים:
היסטוריית היווצרות החיים.
ביומטריה קלאסית ומולקולרית.